JP7603379B2 - Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and electronic device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a method for manufacturing a solid-state imaging device, and an electronic device.
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置(イメージセンサ)として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが実用に供されている。
CMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
2. Description of the Related Art Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) image sensors are in practical use as solid-state imaging devices (image sensors) using photoelectric conversion elements that detect light and generate electric charges.
CMOS image sensors are widely used as part of various electronic devices such as digital cameras, video cameras, surveillance cameras, medical endoscopes, personal computers (PCs), mobile terminal devices such as mobile phones, and the like.
CMOSイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード(光電変換素子)および浮遊拡散層(FD:Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するFDアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列(カラム)出力方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。 CMOS image sensors have a photodiode (photoelectric conversion element) and a floating diffusion (FD) amplifier with a floating diffusion layer for each pixel, and the mainstream readout method is a column-parallel output type that selects a row in the pixel array and simultaneously reads out the pixels in the column output direction.
一般的に、CMOSイメージセンサの各画素は、たとえば1個のフォトダイオードに対して、転送素子としての転送トランジスタ、リセット素子としてのリセットトランジスタ、ソースフォロワ素子(増幅素子)としてのソースフォロワトランジスタ、および選択素子としての選択トランジスタの4素子を能動素子として含んで構成される。 Typically, each pixel of a CMOS image sensor is composed of four active elements: a transfer transistor as a transfer element, a reset transistor as a reset element, a source follower transistor as a source follower element (amplification element), and a selection transistor as a selection element, for example for one photodiode.
ところが近年、CMOSイメージセンサにおいては、画素数の増加に伴い、画素サイズの微細化の要求が高まり、これに対応すべく、1つのフローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタを複数のフォトダイオードおよび転送トランジスタで共有する複数画素共有技術が提案されている。 However, in recent years, with the increase in the number of pixels in CMOS image sensors, there has been a growing demand for smaller pixel size, and in response to this, a multi-pixel sharing technology has been proposed in which a single floating diffusion FD, reset transistor, source follower transistor, and selection transistor are shared by multiple photodiodes and transfer transistors.
図1は、1つのフローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタを2組のフォトダイオードおよび転送トランジスタで共有する2画素共有構造を有するCMOSイメージセンサの画素の一例を示す回路図である(たとえば特許文献1参照)。 Figure 1 is a circuit diagram showing an example of a pixel of a CMOS image sensor having a two-pixel sharing structure in which one floating diffusion FD, reset transistor, source follower transistor, and selection transistor are shared by two sets of photodiodes and transfer transistors (see, for example, Patent Document 1).
図1の共有画素PXL1において、たとえば第1の光電変換素子である第1のフォトダイオードPD0、および第2の光電変換素子である第2のフォトダイオードPD1を有する。
共有画素PXL1は、第1のフォトダイオードPD0および第2のフォトダイオードPD1が、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDを共有している。
The shared pixel PXL1 in FIG. 1 has, for example, a first photodiode PD0 which is a first photoelectric conversion element, and a second photodiode PD1 which is a second photoelectric conversion element.
In the shared pixel PXL1, the first photodiode PD0 and the second photodiode PD1 share a floating diffusion FD as an output node.
第1のフォトダイオードPD0および第2のフォトダイオードPD1は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する。
第1のフォトダイオードPD0の蓄積部とフローティングディフュージョンFDとの間に第1の転送トランジスタTG0-Trが接続されている。
また、第2のフォトダイオードPD1の蓄積部とフローティングディフュージョンFDとの間に第2の転送トランジスタTG1-Trが接続されている。
The first photodiode PD0 and the second photodiode PD1 accumulate electric charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period.
The first transfer transistor TG0-Tr is connected between the storage portion of the first photodiode PD0 and the floating diffusion FD.
In addition, a second transfer transistor TG1-Tr is connected between the storage portion of the second photodiode PD1 and the floating diffusion FD.
そして、共有画素PXL1は、一つの出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDに対応して、リセット素子としてのリセットトランジスタRST-Tr、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF-Tr、および選択素子としての選択トランジスタSEL-Trをそれぞれ一つずつ有する。 The shared pixel PXL1 has one reset transistor RST-Tr as a reset element, one source follower transistor SF-Tr as a source follower element, and one selection transistor SEL-Tr as a selection element, corresponding to the floating diffusion FD as an output node.
図2は、2画素共有の場合の2つのフォトダイオード、転送トランジスタ、並びに、1つのフローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタの配置例を示す簡略平面図である。 Figure 2 is a simplified plan view showing an example of the arrangement of two photodiodes, a transfer transistor, one floating diffusion FD, a reset transistor, a source follower transistor, and a selection transistor in the case of two shared pixels.
共有画素PXL1は、素子の形成領域として、中央部分の中央領域CTAR1、並びに、中央領域CTAR1を挟んで両側(Y方向)の第1の領域FSAR1および第2の領域SCAR1を含んで、矩形領域RCT1が割り当てられている。 The shared pixel PXL1 is assigned a rectangular region RCT1 as an element formation region, including a central region CTAR1 in the center, and a first region FSAR1 and a second region SCAR1 on either side (Y direction) of the central region CTAR1.
中央領域CTAR1には、フローティングディフュージョンFDがX方向およびY方向の中央部に形成され、そのX方向の図中右側に、リセットトランジスタRST-Trが形成され、左側にソースフォロワトランジスタSF-Tr、選択トランジスタSEL-Trが形成されている。
なお、これらの左右等の配置は、一例であって図示する例であることを問わない。
In the central region CTAR1, a floating diffusion FD is formed in the center in the X and Y directions, and a reset transistor RST-Tr is formed on the right side in the X direction in the figure, and a source follower transistor SF-Tr and a selection transistor SEL-Tr are formed on the left side.
It should be noted that the left and right arrangements are merely examples and are not limited to the examples shown in the drawings.
第1の領域FSAR1には、第1のフォトダイオードPD0、第1の転送トランジスタTG0-Trが隣接するように形成されている。
図2の例では、第1の転送トランジスタTG0-Trが中央領域CTAR1側にフローティングディフュージョンFDと接続するように矩形状に形成されている。
In the first region FSAR1, a first photodiode PD0 and a first transfer transistor TG0-Tr are formed adjacent to each other.
In the example of FIG. 2, the first transfer transistor TG0-Tr is formed in a rectangular shape so as to be connected to the floating diffusion FD on the central region CTAR1 side.
第2の領域SCAR1には、第2のフォトダイオードPD1、第2の転送トランジスタTG1-Trが形成されている。
図2の例では、第2の転送トランジスタTG1-Trが中央領域CTAR1側にフローティングディフュージョンFDと接続するように形成されている。
In the second region SCAR1, a second photodiode PD1 and a second transfer transistor TG1-Tr are formed.
In the example of FIG. 2, the second transfer transistor TG1-Tr is formed on the central region CTAR1 side so as to be connected to the floating diffusion FD.
図1および図2のような構成を採用することにより、画素構成要素を2つの画素で共通化できるため、1画素当たりのフォトダイオードPDのサイズを最大化できることから、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となる。 By adopting the configurations shown in Figures 1 and 2, pixel components can be shared between two pixels, maximizing the size of the photodiode PD per pixel, making it possible to miniaturize pixel size while maintaining sensitivity and saturation charge number.
図3は、1つのフローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタを4組のフォトダイオードおよび転送トランジスタで共有する4画素共有構造を有するCMOSイメージセンサの画素の一例を示す回路図である(たとえば特許文献2参照)。 Figure 3 is a circuit diagram showing an example of a pixel of a CMOS image sensor having a four-pixel shared structure in which one floating diffusion FD, reset transistor, source follower transistor, and selection transistor are shared by four sets of photodiodes and transfer transistors (see, for example, Patent Document 2).
図3の共有画素PXL2においては、図1の画素PXL1の構成に加えて、第3の光電変換素子である第3のフォトダイオードPD2、および第4の光電変換素子である第4のフォトダイオードPD3を有する。
すなわち、共有画素PXL2は、第1のフォトダイオードPD0、第2のフォトダイオードPD1、第3のフォトダイオードPD2、および第4のフォトダイオードPD3が出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDを共有している。
The shared pixel PXL2 in FIG. 3 includes, in addition to the configuration of the pixel PXL1 in FIG. 1, a third photodiode PD2 which is a third photoelectric conversion element, and a fourth photodiode PD3 which is a fourth photoelectric conversion element.
That is, in the shared pixel PXL2, the first photodiode PD0, the second photodiode PD1, the third photodiode PD2, and the fourth photodiode PD3 share the floating diffusion FD as an output node.
第1のフォトダイオードPD0、第2のフォトダイオードPD1、第3のフォトダイオードPD2、および第4のフォトダイオードPD3は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する。
第1のフォトダイオードPD0の蓄積部とフローティングディフュージョンFDとの間に第1の転送トランジスタTG0-Trが接続されている。
第2のフォトダイオードPD1の蓄積部とフローティングディフュージョンFDとの間に第2の転送トランジスタTG1-Trが接続されている。
第3のフォトダイオードPD2の蓄積部とフローティングディフュージョンFDとの間に第3の転送トランジスタTG2-Trが接続されている。
第4のフォトダイオードPD3の蓄積部とフローティングディフュージョンFDとの間に第4の転送トランジスタTG3-Trが接続されている。
The first photodiode PD0, the second photodiode PD1, the third photodiode PD2, and the fourth photodiode PD3 accumulate electric charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period.
The first transfer transistor TG0-Tr is connected between the storage portion of the first photodiode PD0 and the floating diffusion FD.
The second transfer transistor TG1-Tr is connected between the storage portion of the second photodiode PD1 and the floating diffusion FD.
The third transfer transistor TG2-Tr is connected between the storage portion of the third photodiode PD2 and the floating diffusion FD.
The fourth transfer transistor TG3-Tr is connected between the storage portion of the fourth photodiode PD3 and the floating diffusion FD.
図4は、図2と同様の思想で形成された4画素共有の場合の4つのフォトダイオード、転送トランジスタ、並びに、1つのフローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタの第1の配置例を示す簡略平面図である。 Figure 4 is a simplified plan view showing a first example of the arrangement of four photodiodes, a transfer transistor, one floating diffusion FD, a reset transistor, a source follower transistor, and a selection transistor in the case of four-pixel sharing formed with the same concept as in Figure 2.
共有画素PXL2は、素子の形成領域として、中央部分の中央領域CTAR2、並びに、中央領域CTAR2を挟んで両側(Y方向)の第1の領域FSAR2および第2の領域SCAR2を含んで、矩形領域RCT2が割り当てられている。 The shared pixel PXL2 is assigned a rectangular region RCT2 as an element formation region, including a central region CTAR2 in the center, and a first region FSAR2 and a second region SCAR2 on either side (Y direction) of the central region CTAR2.
中央領域CTAR2には、フローティングディフュージョンFDがX方向およびY方向
の中央部に形成され、そのX方向の図中右側に、リセットトランジスタRST-Trが形成され、左側にソースフォロワトランジスタSF-Tr、選択トランジスタSEL-Trが形成されている。
なお、これらの左右等の配置は、一例であって図示する例であることを問わない。
In the central region CTAR2, a floating diffusion FD is formed in the center in the X and Y directions, and a reset transistor RST-Tr is formed on the right side in the X direction in the figure, and a source follower transistor SF-Tr and a selection transistor SEL-Tr are formed on the left side.
It should be noted that the left and right arrangements are merely examples and are not limited to the examples shown in the drawings.
第1の領域FSAR2には、第1のフォトダイオードPD0、第1の転送トランジスタTG0-Tr、並びに、第3のフォトダイオードPD2、第3の転送トランジスタTG2-Trが隣接するように形成されている。
図4の例では、第1のフォトダイオードPD0、第1の転送トランジスタTG0-Trが第1の領域FSAR2の図中左側(左半分の領域)に形成され、第3のフォトダイオードPD2、第3の転送トランジスタTG2-Trが第1の領域FSAR2の図中右側(右半分の領域)に形成されている。
第1の転送トランジスタTG0-Trおよび第3の転送トランジスタTG2-Trが中央領域CTAR2側にフローティングディフュージョンFDと接続するように矩形状に形成されている。
In the first region FSAR2, a first photodiode PD0, a first transfer transistor TG0-Tr, a third photodiode PD2, and a third transfer transistor TG2-Tr are formed adjacent to each other.
In the example of FIG. 4, the first photodiode PD0 and the first transfer transistor TG0-Tr are formed on the left side of the first region FSAR2 in the figure (left half of the region), and the third photodiode PD2 and the third transfer transistor TG2-Tr are formed on the right side of the first region FSAR2 in the figure (right half of the region).
The first transfer transistor TG0-Tr and the third transfer transistor TG2-Tr are formed in a rectangular shape so as to be connected to the floating diffusion FD on the central region CTAR2 side.
第2の領域SCAR2には、第2のフォトダイオードPD1、第2の転送トランジスタTG1-Tr、並びに、第4のフォトダイオードPD3、第4の転送トランジスタTG3-Trが隣接するように形成されている。
図4の例では、第2のフォトダイオードPD1、第2の転送トランジスタTG1-Trが第2の領域SCAR2の図中左側(左半分の領域)に形成され、第4のフォトダイオードPD3、第4の転送トランジスタTG3-Trが第2の領域SCAR2の図中右側(右半分の領域)に形成されている。
第2の転送トランジスタTG1-Trおよび第4の転送トランジスタTG3-Trが中央領域CTAR2側にフローティングディフュージョンFDと接続するように矩形状に形成されている。
In the second region SCAR2, a second photodiode PD1, a second transfer transistor TG1-Tr, a fourth photodiode PD3, and a fourth transfer transistor TG3-Tr are formed adjacent to each other.
In the example of FIG. 4, the second photodiode PD1 and the second transfer transistor TG1-Tr are formed on the left side of the second region SCAR2 in the figure (left half region), and the fourth photodiode PD3 and the fourth transfer transistor TG3-Tr are formed on the right side of the second region SCAR2 in the figure (right half region).
The second transfer transistor TG1-Tr and the fourth transfer transistor TG3-Tr are formed in a rectangular shape so as to be connected to the floating diffusion FD on the central region CTAR2 side.
図3および図4のような構成を採用することにより、画素構成要素を4つの画素で共通化できるため、1画素当たりのフォトダイオードPDのサイズを最大化できることから、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となる。 By adopting the configurations shown in Figures 3 and 4, the pixel components can be shared among four pixels, maximizing the size of the photodiode PD per pixel, making it possible to miniaturize the pixel size while maintaining the sensitivity and saturation charge number.
図5は、4画素共有の場合の4つのフォトダイオード、転送トランジスタ、並びに、1つのフローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタの第2の配置例を示す簡略平面図である。 Figure 5 is a simplified plan view showing a second example of the arrangement of four photodiodes, a transfer transistor, one floating diffusion FD, a reset transistor, a source follower transistor, and a selection transistor in the case of four shared pixels.
図5の共有画素PXL3は、4画素共有の変形例であって、8画素で2つのフローティングディフュージョンFDを共有する構成を有している(たとえば特許文献3参照)。
図5の共有画素PXL3は、図4の4画素共有に対応して、4つのフォトダイオードPD0~PD3、並びに、転送トランジスタTG0-Tr~TG3~Trが形成された第1の受光領域RLT1および第2の受光領域RLT2を有している。
The shared pixel PXL3 in FIG. 5 is a modified example of a four-pixel shared pixel, and has a configuration in which two floating diffusions FD are shared by eight pixels (see, for example, Patent Document 3).
The shared pixel PXL3 in FIG. 5 corresponds to the four-pixel sharing in FIG. 4 and has four photodiodes PD0 to PD3, as well as a first light receiving region RLT1 and a second light receiving region RLT2 in which transfer transistors TG0-Tr to TG3-Tr are formed.
さらに、共有画素PXL3は、第1のトランジスタ群GTR1および第2のトランジスタ群GTR2を有している。
第1のトランジスタ群GTR1には、ソースフォロワトランジスタSF-Trおよび選択トランジスタSEL-Trが配置されている。
第2のトランジスタ群GTR2には、リセットトランジスタRST1-TrおよびダミーのリセットトランジスタRST2-Trが配置されている。
Furthermore, the shared pixel PXL3 has a first transistor group GTR1 and a second transistor group GTR2.
In the first transistor group GTR1, a source follower transistor SF-Tr and a selection transistor SEL-Tr are arranged.
In the second transistor group GTR2, a reset transistor RST1-Tr and a dummy reset transistor RST2-Tr are arranged.
なお、リセットトランジスタRST-Trは1つ設ければ十分であるが、第1のトランジスタ群GTR1とのレイアウトの対称性を持たせるために、第2のトランジスタ群GTR2にはダミーのリセットトランジスタRST2-Trが設けられている。 Although one reset transistor RST-Tr is sufficient, a dummy reset transistor RST2-Tr is provided in the second transistor group GTR2 to ensure layout symmetry with the first transistor group GTR1.
このような構成を有する共有画素PXL3においては、第1の受光領域RLT1と第1のトランジスタ群GTR1の配置と、第2の受光領域PLT2と第2のトランジスタ群GTR2の配置とがフローティングディフュージョンFDを光学中心として構造の対称性を有していることから、同色画素間での感度(出力)の特性のばらつきを抑えることができる。 In the shared pixel PXL3 having such a configuration, the arrangement of the first light receiving region RLT1 and the first transistor group GTR1 and the arrangement of the second light receiving region PLT2 and the second transistor group GTR2 have structural symmetry with the floating diffusion FD as the optical center, so that it is possible to suppress variation in the sensitivity (output) characteristics between pixels of the same color.
上述した2画素共有の共有画素PXL1は、画素構成要素を2つの画素で共通化できるため、1画素当たりのフォトダイオードPDのサイズを最大化できることから、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となる。 The two-pixel shared pixel PXL1 described above allows pixel components to be shared between two pixels, maximizing the size of the photodiode PD per pixel, making it possible to miniaturize pixel size while maintaining sensitivity and saturation charge number.
しかしながら、図2の共有画素PXL1は、1共有画素当たりの素子数が4画素共有の場合に比べて多いことから、画素サイズの微細化には限界がある。 However, the shared pixel PXL1 in Figure 2 has a larger number of elements per shared pixel than when four pixels are shared, so there is a limit to how small the pixel size can be made.
また、上述した4画素共有の共有画素PXL2は、画素構成要素を4つの画素で共通化できるため、1画素当たりのフォトダイオードPDのサイズを最大化できることから、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となる。 In addition, the above-mentioned four-pixel shared pixel PXL2 allows pixel components to be shared among four pixels, maximizing the size of the photodiode PD per pixel, making it possible to miniaturize pixel size while maintaining sensitivity and saturation charge number.
しかしながら、図4の共有画素PXL2は、フローティングディフュージョンFD部の面積が大きくなり、これにより、フローティングディフュージョンFDの容量が大きくなって変換利得が下がり、ノイズが増大するという不利益がある。 However, the shared pixel PXL2 in Figure 4 has a large area for the floating diffusion FD portion, which has the disadvantage of increasing the capacity of the floating diffusion FD, reducing the conversion gain, and increasing noise.
また、図5の共有画素PXL3は、たとえばフローティングディフュージョンFDを中心に放射上にフォトダイオードPDが形成される。フローティングディフュージョンFDの拡散層部分を中央にして図5のような配置にすると、リセットトランジスタRST-Trを隣接して配置することができない。そのため、フローティングディフュージョンFDの拡散層部分は中央以外に画素分離領域上など画素端にも配置して配線接続をする必要がある。
このため、接合(ジャンクション)容量および、電気的に接続するための配線容量が増えて、FDノードの容量(Cfd)が増加して、変換利得が低減して、ノイズ特性が劣化するという不利益がある。
In addition, in the shared pixel PXL3 in Fig. 5, for example, a photodiode PD is formed radially from the floating diffusion FD. If the diffusion layer part of the floating diffusion FD is placed in the center and arranged as in Fig. 5, the reset transistor RST-Tr cannot be arranged adjacently. Therefore, the diffusion layer part of the floating diffusion FD needs to be arranged not only in the center but also on the edge of the pixel, such as on the pixel isolation region, for wiring connection.
This leads to an increase in junction capacitance and wiring capacitance for electrical connection, which increases the capacitance of the FD node (Cfd), reducing the conversion gain and deteriorating noise characteristics.
また、一般に、所定のフォトダイオードPDの蓄積電荷を超えた信号(オーバーフロー電荷)は、隣接画素へ流れ込むと、電荷の混合(偽信号となる)が起きる。
これを防止するために、オーバーフロー電荷が隣接画素に漏れこむ前に接続されたフローティングディフュージョンFDに流れこむような構成がとられる。
この構成の場合には、フローティングディフュージョンFDの電荷を読み出し中に共有する画素からの電荷も漏れこみが発生した場合には偽信号が発生する。たとえば、ベイヤ配列の場合、R信号を読み出し中にG信号のオーバーフロー電荷が発生した場合、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFDで電荷混合が発生する。
Generally, when a signal (overflow charge) that exceeds the accumulated charge of a given photodiode PD flows into an adjacent pixel, mixing of the charges (becoming a false signal) occurs.
To prevent this, a configuration is adopted in which the overflow charge flows into a connected floating diffusion FD before leaking into an adjacent pixel.
In this configuration, if charge from a pixel sharing the floating diffusion FD leaks in while the charge is being read out, a false signal occurs. For example, in the case of a Bayer array, if an overflow charge of a G signal occurs while an R signal is being read out, charge mixing occurs in the floating diffusion FD as an output node.
本発明は、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器を提供することにある。
また、本発明は、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能で、しかもフローティングディフュージョンにおける電荷混合を防止することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器を提供することにある。
The present invention provides a solid-state imaging device, a method for manufacturing a solid-state imaging device, and electronic equipment that not only enables pixel size to be reduced while maintaining sensitivity and saturation charge, but also suppresses an increase in junction capacitance and wiring capacitance, inhibits an increase in the capacitance of the floating diffusion as an output node, prevents a decrease in conversion gain, and ultimately improves noise characteristics.
Furthermore, the present invention aims to provide a solid-state imaging device, a method for manufacturing a solid-state imaging device, and electronic equipment that not only enables pixel size to be reduced while maintaining sensitivity and saturation charge, but also suppresses an increase in junction capacitance and wiring capacitance, suppresses an increase in the capacitance of the floating diffusion as an output node, prevents a decrease in conversion gain, and ultimately improves noise characteristics, while also preventing charge mixing in the floating diffusion.
本発明の第1の観点の固体撮像装置は、光電変換を行う共有画素が配置された画素部を有し、前記共有画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも3つの光電変換素子と、前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間にそれぞれ個別に転送可能な複数の転送素子と、前記転送素子の各々を通じて前記光電変換素子各々の蓄積電荷が転送される出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部としてのソースフォロワ素子と、を含み、1つの前記フローティングディフュージョンおよび1つの前記ソースフォロワ素子が前記複数の光電変換素子および前記複数の転送素子により共有され、素子形成領域の中央部分に前記フローティングディフュージョンが配置され、当該フローティングディフュージョンを中心として前記複数の光電変換素子が放射状に配置され、前記フローティングディフュージョンは、互いに対向する第1の側部と第2の側部を含み、前記フローティングディフュージョンの第1の側部に直交する第1の方向に隣接して前記ソースフォロワ素子が配置され、前記フローティングディフュージョンの第2の側部の前記第1の方向に隣接して前記リセット素子が配置され、前記フローティングディフュージョンと前記ソースフォロワ素子が配線により接続され、前記第2の方向に隣接する前記光電変換素子は、少なくとも前記ソースフォロワ素子および前記リセット素子が形成可能な第1の間隔をおいて配置され、前記第1の方向に隣接する前記光電変換素子は、前記第1の間隔より狭い第2の間隔をおいて配置され、前記フローティングディフュージョンの前記第1の側部の第2の方向における第1の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第1の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間、並びに、前記フローティングディフュージョンの前記第2の側部の第2の方向における第2の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第2の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間を接続するように、それぞれ対応する前記転送素子が配置されている。 A solid-state imaging device according to a first aspect of the present invention has a pixel section in which shared pixels that perform photoelectric conversion are arranged, and the shared pixels include at least three photoelectric conversion elements that accumulate charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period, a plurality of transfer elements that can individually transfer the charges accumulated in each of the photoelectric conversion elements during a transfer period after the accumulation period, a floating diffusion as an output node to which the accumulated charges of each of the photoelectric conversion elements are transferred through each of the transfer elements, a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period, and a source follower element as an output buffer section that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to the amount of charge and outputs the converted voltage signal, and one of the floating diffusions and one of the source follower elements are shared by the plurality of photoelectric conversion elements and the plurality of transfer elements, the floating diffusion is arranged in the central portion of an element formation region, the plurality of photoelectric conversion elements are arranged radially around the floating diffusion, and the floating diffusion The floating diffusion includes a first side and a second side opposed to each other, the source follower element is arranged adjacent to the first side of the floating diffusion in a first direction perpendicular to the first side of the floating diffusion, the reset element is arranged adjacent to the second side of the floating diffusion in the first direction, the floating diffusion and the source follower element are connected by wiring, and the photoelectric conversion elements adjacent to each other in the second direction are arranged at a first interval allowing at least the source follower element and the reset element to be formed. The photoelectric conversion elements adjacent in the first direction are arranged at a second interval narrower than the first interval, and the corresponding transfer elements are arranged to connect between a first side edge in the second direction of the first side of the floating diffusion and a first edge of the photoelectric conversion element that faces the first side edge, and between a second side edge in the second direction of the second side of the floating diffusion and a first edge of the photoelectric conversion element that faces the second side edge.
本発明の第2の観点は、光電変換を行う共有画素が配置された画素部を有し、前記共有画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも3つの光電変換素子と、前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間にそれぞれ個別に転送可能な複数の転送素子と、前記転送素子の各々を通じて前記光電変換素子各々の蓄積電荷が転送される出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部としてのソースフォロワ素子と、を含み、1つの前記フローティングディフュージョンおよび1つの前記ソースフォロワ素子が前記複数の光電変換素子および前記複数の転送素子により共有され、素子形成領域の中央部分に前記フローティングディフュージョンが配置され、当該フローティングディフュージョンを中心として前記複数の光電変換素子が放射状に配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記フローティングディフュージョンは、互いに対向する第1の側部と第2の側部を含み、前記フローティングディフュージョンの第1の側部に直交する第1の方向に隣接して前記ソースフォロワ素子を形成し、前記フローティングディフュージョンの第2の側部の前記第1の方向に隣接して前記リセット素子を形成し、前記フローティングディフュージョンと前記ソースフォロワ素子を配線により接続し、前記第2の方向に隣接する前記光電変換素子は、少なくとも前記ソースフォロワ素子および前記リセット素子が形成可能な第1の間隔をおいて形成し、前記第1の方向に隣接する前記光電変換素子は、前記第1の間隔より狭い第2の間隔をおいて形成し、前記フローティングディフュージョンの前記第1の側部の第2の方向における第1の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第1の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間、並びに、前記フローティングディフュージョンの前記第2の側部の第2の方向における第2の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第2の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間を接続するように、それぞれ対応する前記転送素子を形成する。 A second aspect of the present invention is a manufacturing method for a solid-state imaging device having a pixel section in which shared pixels that perform photoelectric conversion are arranged, the shared pixels including at least three photoelectric conversion elements that accumulate charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period, a plurality of transfer elements that can individually transfer the charges accumulated in each of the photoelectric conversion elements during a transfer period following the accumulation period, a floating diffusion as an output node to which the accumulated charges of each of the photoelectric conversion elements are transferred through each of the transfer elements, a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period, and a source follower element as an output buffer section that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to the amount of charge and outputs the converted voltage signal, wherein one of the floating diffusions and one of the source follower elements are shared by the plurality of photoelectric conversion elements and the plurality of transfer elements, the floating diffusion is arranged in the central portion of an element formation region, and the plurality of photoelectric conversion elements are arranged radially around the floating diffusion, The floating diffusion includes a first side and a second side opposed to each other, the source follower element is formed adjacent to the first side of the floating diffusion in a first direction perpendicular to the first side of the floating diffusion, the reset element is formed adjacent to the second side of the floating diffusion in the first direction, the floating diffusion and the source follower element are connected by wiring, and the photoelectric conversion elements adjacent to each other in the second direction have a first interval at which at least the source follower element and the reset element can be formed. The photoelectric conversion elements adjacent in the first direction are formed at a second interval narrower than the first interval, and the corresponding transfer elements are formed to connect between a first side edge in the second direction of the first side of the floating diffusion and a first edge of the photoelectric conversion element that faces the first side edge, and between a second side edge in the second direction of the second side of the floating diffusion and a first edge of the photoelectric conversion element that faces the second side edge.
本発明の第3の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、光電変換を行う共有画素が配置された画素部を有し、前記共有画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも3つの光電変換素子と、前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間にそれぞれ個別に転送可能な複数の転送素子と、前記転送素子の各々を通じて前記光電変換素子各々の蓄積電荷が転送される出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部としてのソースフォロワ素子と、を含み、1つの前記フローティングディフュージョンおよび1つの前記ソースフォロワ素子が前記複数の光電変換素子および前記複数の転送素子により共有され、素子形成領域の中央部分に前記フローティングディフュージョンが配置され、当該フローティングディフュージョンを中心として前記複数の光電変換素子が放射状に配置され、前記フローティングディフュージョンは、互いに対向する第1の側部と第2の側部を含み、前記フローティングディフュージョンの第1の側部に直交する第1の方向に隣接して前記ソースフォロワ素子が配置され、前記フローティングディフュージョンの第2の側部の前記第1の方向に隣接して前記リセット素子が配置され、前記フローティングディフュージョンと前記ソースフォロワ素子が配線により接続され、前記第2の方向に隣接する前記光電変換素子は、少なくとも前記ソースフォロワ素子および前記リセット素子が形成可能な第1の間隔をおいて配置され、前記第1の方向に隣接する前記光電変換素子は、前記第1の間隔より狭い第2の間隔をおいて配置され、前記フローティングディフュージョンの前記第1の側部の第2の方向における第1の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第1の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間、並びに、前記フローティングディフュージョンの前記第2の側部の第2の方向における第2の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第2の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間を接続するように、それぞれ対応する前記転送素子が配置されている。 An electronic device according to a third aspect of the present invention has a solid-state imaging device and an optical system for forming a subject image on the solid-state imaging device, the solid-state imaging device having a pixel section in which a shared pixel for performing photoelectric conversion is arranged, the shared pixel having at least three photoelectric conversion elements for storing electric charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period, a plurality of transfer elements capable of individually transferring the electric charges stored in each of the photoelectric conversion elements during a transfer period following the accumulation period, a floating diffusion as an output node to which the accumulated electric charges of each of the photoelectric conversion elements are transferred through each of the transfer elements, and a reset period and a source follower element serving as an output buffer unit that converts a charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to the charge amount and outputs the converted voltage signal, one of the floating diffusions and one of the source follower elements are shared by the plurality of photoelectric conversion elements and the plurality of transfer elements, the floating diffusion is disposed in a central portion of an element formation region, and the plurality of photoelectric conversion elements are disposed radially with the floating diffusion as a center, the floating diffusion includes a first side portion and a second side portion opposed to each other, the source follower elements are disposed adjacent to each other in a first direction perpendicular to the first side portion of the floating diffusion, and the reset element is disposed adjacent to the second side portion of the floating diffusion in the first direction, the floating diffusion and the source follower element are connected by wiring, and the photoelectric conversion elements adjacent to each other in the second direction are at least a first side portion in which the source follower element and the reset element can be formed. The photoelectric conversion elements adjacent in the first direction are arranged at a second interval narrower than the first interval, and the corresponding transfer elements are arranged to connect between a first side edge in the second direction of the first side of the floating diffusion and a first edge of the photoelectric conversion element that faces the first side edge, and between a second side edge in the second direction of the second side of the floating diffusion and a first edge of the photoelectric conversion element that faces the second side edge.
本発明によれば、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能となる。
また、本発明によれば、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能で、しかもフローティングディフュージョンにおける電荷混合を防止することが可能となる。
According to the present invention, it is possible to reduce pixel size while maintaining sensitivity and saturation charge, and also to suppress an increase in junction capacitance and wiring capacitance, thereby suppressing an increase in the capacitance of the floating diffusion serving as an output node, preventing a decrease in conversion gain, and ultimately improving noise characteristics.
Furthermore, according to the present invention, it is possible to reduce pixel size while maintaining sensitivity and saturation charge, and it is also possible to suppress an increase in junction capacitance and wiring capacitance, thereby suppressing an increase in the capacitance of the floating diffusion as an output node and preventing a decrease in conversion gain, thereby improving noise characteristics, and also preventing charge mixing in the floating diffusion.
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図6は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
(First embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
In this embodiment, the solid-
この固体撮像装置10は、図6に示すように、撮像部としての画素部20、垂直走査回路(行走査回路)30、読み出し回路(カラム読み出し回路)40、水平走査回路(列走査回路)50、およびタイミング制御回路60を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部70が構成される。
As shown in FIG. 6 , the solid-
Of these components, for example, the
本第1の実施形態において、固体撮像装置10、後で詳述するように、画素部20に行列状に配列される画素(または画素部20)は、出力ノードとしての1つのフローティングディフュージョンFDおよび出力バッファを形成するソースフォロワ素子(ソースフォロワトランジスタ)を、少なくとも3つ(本実施形態では4)の光電変換素子(フォトダイオード)および転送素子(転送トランジスタ)により共有されている。
共有画素の素子形成領域の中央部分にフローティングディフュージョンが配置され、このフローティングディフュージョンFDを中心として複数の光電変換素子が放射状(本実施形態では正方)に配置されている。
In the first embodiment, as described in detail later, in the solid-
A floating diffusion FD is disposed in the center of the element formation region of the shared pixel, and a plurality of photoelectric conversion elements are disposed radially (in this embodiment, in a square) with this floating diffusion FD as the center.
そして、本実施形態に係る固体撮像装置10の共有画素は、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能となるように、次の特徴的な構成が採用されている。
すなわち、フローティングディフュージョンFDは、後で説明するように、平面視して、互いに対向する第1の側部SDP1と第2の側部SDP2を含む矩形状(本例では長方形状)に形成されている。
素子形成領域の中央部CTRに、フローティングディフュージョンFD10の第1の側部SDP1に直交する第1の方向(たとえばX方向)に隣接してソースフォロワ素子が配置され、フローティングディフュージョンFD10の第2の側部SDP2の第1の方向に隣接してリセット素子が配置され、フローティングディフュージョンFD10とソースフォロワ素子が配線により接続されている。
The shared pixel of the solid-
That is, as will be described later, the floating diffusion FD is formed in a rectangular shape (rectangular shape in this example) including a first side portion SDP1 and a second side portion SDP2 opposing each other in a plan view.
A source follower element is arranged in a central portion CTR of the element formation region adjacent to a first direction (e.g., the X direction) perpendicular to a first side portion SDP1 of the floating diffusion FD10, a reset element is arranged adjacent to a second side portion SDP2 of the floating diffusion FD10 in the first direction, and the floating diffusion FD10 and the source follower element are connected by wiring.
第2の方向(たとえばY方向)に隣接する光電変換素子は、少なくともソースフォロワ素子およびリセット素子(MOSトランジスタ)が形成可能な第1の間隔D1をおいて配置され、第1の方向に隣接する光電変換素子は、第1の間隔D1より狭い第2の間隔D2をおいて配置されている。
フローティングディフュージョンFD10の第1の側部SDP1の第2の方向における第1の側部側端縁部SDT11,STD12と光電変換素子の第1の側部側端縁部SDT11と対向する第1の縁部ED111,ED112との間、並びに、フローティングディフュージョンFDの第2の側部SDP2の第2の方向における第2の側部側端縁部SDT21,SDT22と光電変換素子の第2の側部側端縁部SDT21,SDT22と対向する第1の縁部ED121,ED122との間を接続するように、それぞれ対応する転送素子が配置されている。
各転送素子は、フローティングディフュージョンFDの側部側端縁部と対応する光電変換素子間を跨がるようにして配置されている。
Adjacent photoelectric conversion elements in a second direction (e.g., the Y direction) are arranged at a first distance D1 that allows for the formation of at least a source follower element and a reset element (MOS transistor), and adjacent photoelectric conversion elements in the first direction are arranged at a second distance D2 that is narrower than the first distance D1.
Corresponding transfer elements are arranged to connect between the first side edge portions SDT11, STD12 in the second direction of the first side portion SDP1 of the floating diffusion FD10 and the first edge portions ED111, ED112 facing the first side edge portion SDT11 of the photoelectric conversion element, and between the second side edge portions SDT21, SDT22 in the second direction of the second side portion SDP2 of the floating diffusion FD and the first edge portions ED121, ED122 facing the second side edge portions SDT21, SDT22 of the photoelectric conversion element.
Each transfer element is disposed so as to straddle between a side edge of the floating diffusion FD and a corresponding photoelectric conversion element.
なお、固体撮像装置10は、グローバルシャッタの動作機能を持つように構成されてもよい。
The solid-
以下、固体撮像装置10の各部の構成および機能の概要を説明した後、埋め込み型ダイオード(PPD)部の構成、並びに、共有画素における各素子の配置例について詳述する。
Below, we will provide an overview of the configuration and function of each part of the solid-
(画素部20および共有画素PXL20の構成)
図7は、発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素の一例を示す回路図である。
(Configuration of
FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a shared pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the invention.
図1の共有画素PXL20において、たとえば第1の光電変換素子である第1のフォトダイオードPD10、第2の光電変換素子である第2のフォトダイオードPD11、第3の光電変換素子である第3のフォトダイオードPD12、および第4の光電変換素子であるフォトダイオードPD13を有する。
共有画素PXL20は、第1のフォトダイオードPD10、第2のフォトダイオードPD11,第3のフォトダイオードPD12、および第4のフォトダイオードPD13が、出力ノードND10としてのフローティングディフュージョンFD10を共有している。
The shared pixel PXL20 in FIG. 1 has, for example, a first photodiode PD10 which is a first photoelectric conversion element, a second photodiode PD11 which is a second photoelectric conversion element, a third photodiode PD12 which is a third photoelectric conversion element, and a photodiode PD13 which is a fourth photoelectric conversion element.
In the shared pixel PXL20, a first photodiode PD10, a second photodiode PD11, a third photodiode PD12, and a fourth photodiode PD13 share a floating diffusion FD10 as an output node ND10.
第1のフォトダイオードPD10、第2のフォトダイオードPD11,第3のフォトダイオードPD12、および第4のフォトダイオードPD13は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する。
第1のフォトダイオードPD10の蓄積部PND10とフローティングディフュージョンFD10との間に第1の転送トランジスタTG10-Trが接続されている。
第2のフォトダイオードPD11の蓄積部PND11とフローティングディフュージョンFD10との間に第2の転送トランジスタTG11-Trが接続されている。
第3のフォトダイオードPD12の蓄積部PND12とフローティングディフュージョンFD10との間に第3の転送トランジスタTG12-Trが接続されている。
第4のフォトダイオードPD13の蓄積部PND13とフローティングディフュージョンFD10との間に第4の転送トランジスタTG13-Trが接続されている。
The first photodiode PD10, the second photodiode PD11, the third photodiode PD12, and the fourth photodiode PD13 accumulate electric charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period.
The first transfer transistor TG10-Tr is connected between the storage portion PND10 of the first photodiode PD10 and the floating diffusion FD10.
The second transfer transistor TG11-Tr is connected between the storage portion PND11 of the second photodiode PD11 and the floating diffusion FD10.
The third transfer transistor TG12-Tr is connected between the storage portion PND12 of the third photodiode PD12 and the floating diffusion FD10.
A fourth transfer transistor TG13-Tr is connected between the storage portion PND13 of the fourth photodiode PD13 and the floating diffusion FD10.
そして、共有画素PXL20は、一つの出力ノードND10としてのフローティングディフュージョンFD10に対応して、リセット素子としてのリセットトランジスタRST10-Tr、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF10-Tr、および選択素子としての選択トランジスタSEL10-Trをそれぞれ一つずつ有する。 The shared pixel PXL20 corresponds to the floating diffusion FD10 as one output node ND10, and has one reset transistor RST10-Tr as a reset element, one source follower transistor SF10-Tr as a source follower element, and one selection transistor SEL10-Tr as a selection element.
第1のフォトダイオードPD10、第2のフォトダイオードPD11,第3のフォトダイオードPD12、および第4のフォトダイオードPD13は、入射光量に応じた量の信号電荷(ここでは電子)を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔(ホール)であったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
The first photodiode PD10, the second photodiode PD11, the third photodiode PD12, and the fourth photodiode PD13 generate and accumulate signal charges (electrons in this case) in amounts corresponding to the amount of incident light.
In the following, a case will be described in which the signal charges are electrons and each transistor is an n-type transistor, but the signal charges may be holes and each transistor may be a p-type transistor.
共有画素PXL20において、フォトダイオード(PD)としては、埋め込み型フォトダイオード(PPD)が用いられる。
フォトダイオード(PD)を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による界面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード(PPD)では、フォトダイオード(PD)の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
In the shared pixel PXL20, a buried photodiode (PPD) is used as the photodiode (PD).
Since there are interface states due to defects such as dangling bonds on the surface of the substrate on which the photodiode (PD) is formed, a large amount of charge (dark current) is generated by thermal energy, making it impossible to read out a correct signal.
In a buried photodiode (PPD), the charge storage portion of a photodiode (PD) is buried in a substrate, making it possible to reduce the inclusion of dark current in a signal.
共有画素PXL20の第1の転送トランジスタTG10-Trは、第1のフォトダイオードPD10とフローティングディフュージョンFD10の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号TG10により制御される。
第1の転送トランジスタTG10-Trは、制御信号TG10がハイ(H)レベルの転送期間PTに選択されて導通状態となり、第1のフォトダイオードPD10で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD10に転送する。
なお、第1のフォトダイオードPD10およびフローティングディフュージョンFD10が所定のリセット電位にリセットされた後、第1の転送トランジスタTG10-Trは、制御信号TG10がロー(L)レベルの非導通状態となり、第1のフォトダイオードPD10は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第1の転送トランジスタTG10―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンFD10に溢れ出す。
The first transfer transistor TG10-Tr of the shared pixel PXL20 is connected between the first photodiode PD10 and the floating diffusion FD10, and is controlled by a control signal TG10 applied to the gate through a control line.
The first transfer transistor TG10-Tr is selected and turned on during the transfer period PT when the control signal TG10 is at a high (H) level, and transfers the charges (electrons) photoelectrically converted and accumulated in the first photodiode PD10 to the floating diffusion FD10.
After the first photodiode PD10 and the floating diffusion FD10 are reset to a predetermined reset potential, the first transfer transistor TG10-Tr becomes non-conductive with the control signal TG10 at a low (L) level, and the first photodiode PD10 enters the accumulation period PI. At this time, if the intensity (amount) of the incident light is extremely high, charges that exceed the saturation charge amount overflow into the floating diffusion FD10 as overflow charges through the overflow path below the first transfer transistor TG10-Tr.
共有画素PXL20の第2の転送トランジスタTG11-Trは、第2のフォトダイオードPD11とフローティングディフュージョンFD10の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号TG11により制御される。
第2の転送トランジスタTG11-Trは、制御信号TG11がハイ(H)レベルの転送期間PTに選択されて導通状態となり、第2のフォトダイオードPD11で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD10に転送する。
なお、第2のフォトダイオードPD11およびフローティングディフュージョンFD10が所定のリセット電位にリセットされた後、第2の転送トランジスタTG11-Trは、制御信号TG11がロー(L)レベルの非導通状態となり、第2のフォトダイオードPD11は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第2の転送トランジスタTG11―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンFD10に溢れ出す。
The second transfer transistor TG11-Tr of the shared pixel PXL20 is connected between the second photodiode PD11 and the floating diffusion FD10, and is controlled by a control signal TG11 applied to its gate via a control line.
The second transfer transistor TG11-Tr is selected and turned on during the transfer period PT when the control signal TG11 is at a high (H) level, and transfers the charges (electrons) photoelectrically converted and accumulated in the second photodiode PD11 to the floating diffusion FD10.
After the second photodiode PD11 and the floating diffusion FD10 are reset to a predetermined reset potential, the second transfer transistor TG11-Tr becomes non-conductive with the control signal TG11 at a low (L) level, and the second photodiode PD11 enters the accumulation period PI. At this time, if the intensity (amount) of the incident light is extremely high, charge that exceeds the saturation charge amount overflows into the floating diffusion FD10 as overflow charge through the overflow path below the second transfer transistor TG11-Tr.
共有画素PXL20の第3の転送トランジスタTG12-Trは、第3のフォトダイオードPD12とフローティングディフュージョンFD10の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号TG12により制御される。
第3の転送トランジスタTG12-Trは、制御信号TG12がハイ(H)レベルの転送期間PTに選択されて導通状態となり、第3のフォトダイオードPD12で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD10に転送する。
なお、第3のフォトダイオードPD12およびフローティングディフュージョンFD10が所定のリセット電位にリセットされた後、第3の転送トランジスタTG12-Trは、制御信号TG12がロー(L)レベルの非導通状態となり、第3のフォトダイオードPD12は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第3の転送トランジスタTG12―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンFD10に溢れ出す。
The third transfer transistor TG12-Tr of the shared pixel PXL20 is connected between the third photodiode PD12 and the floating diffusion FD10, and is controlled by a control signal TG12 applied to its gate through a control line.
The third transfer transistor TG12-Tr is selected and turned on during the transfer period PT when the control signal TG12 is at a high (H) level, and transfers the charges (electrons) photoelectrically converted and accumulated in the third photodiode PD12 to the floating diffusion FD10.
After the third photodiode PD12 and the floating diffusion FD10 are reset to a predetermined reset potential, the third transfer transistor TG12-Tr becomes non-conductive with the control signal TG12 at a low (L) level, and the third photodiode PD12 enters the accumulation period PI. At this time, if the intensity (amount) of the incident light is extremely high, charges that exceed the saturation charge amount overflow into the floating diffusion FD10 as overflow charges through the overflow path below the third transfer transistor TG12-Tr.
共有画素PXL20の第4の転送トランジスタTG13-Trは、第4のフォトダイオードPD13とフローティングディフュージョンFD10の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号TG13により制御される。
第4の転送トランジスタTG13-Trは、制御信号TG13がハイ(H)レベルの転送期間PTに選択されて導通状態となり、第4のフォトダイオードPD13で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD10に転送する。
なお、第4のフォトダイオードPD13およびフローティングディフュージョンFD10が所定のリセット電位にリセットされた後、第4の転送トランジスタTG13-Trは、制御信号TG13がロー(L)レベルの非導通状態となり、第4のフォトダイオードPD13は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第4の転送トランジスタTG13―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンFD10に溢れ出す。
The fourth transfer transistor TG13-Tr of the shared pixel PXL20 is connected between the fourth photodiode PD13 and the floating diffusion FD10, and is controlled by a control signal TG13 applied to its gate through a control line.
The fourth transfer transistor TG13-Tr is selected and turned on during the transfer period PT when the control signal TG13 is at a high (H) level, and transfers the charges (electrons) photoelectrically converted and accumulated in the fourth photodiode PD13 to the floating diffusion FD10.
After the fourth photodiode PD13 and the floating diffusion FD10 are reset to a predetermined reset potential, the fourth transfer transistor TG13-Tr becomes non-conductive with the control signal TG13 at a low (L) level, and the fourth photodiode PD13 enters the accumulation period PI. At this time, if the intensity (amount) of the incident light is extremely high, charges that exceed the saturation charge amount overflow into the floating diffusion FD10 as overflow charges through the overflow path below the fourth transfer transistor TG13-Tr.
リセットトランジスタRST10-Trは、電源電圧VAAPIXの電源線VaapixとフローティングディフュージョンFD10の間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号RST10により制御される。
リセットトランジスタRST10-Trは、制御信号RST10がHレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFD10を電源電圧VAAPIXの電源線Vaapixの電位にリセットする。
The reset transistor RST10-Tr is connected between a power supply line Vaapix of a power supply voltage VAAPIX and a floating diffusion FD10, and is controlled by a control signal RST10 applied to the gate via a control line.
The reset transistor RST10-Tr is selected and turned on during the reset period when the control signal RST10 is at H level, and resets the floating diffusion FD10 to the potential of the power supply line Vaapix of the power supply voltage VAAPIX.
ソースフォロワトランジスタSF10-Trと選択トランジスタSEL10-Trは、電源線Vaapixと垂直信号線LSGN10との間に直列に接続されている。
ソースフォロワトランジスタSF10-TrのゲートにはフローティングディフュージョンFD10が接続され、選択トランジスタSEL10-Trは制御信号SEL10を通じて制御される。
ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF10-Trは、ソースが読み出しノードND11に接続され、ドレイン側が電源線Vaapixに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンFD10に接続されている。
そして、出力バッファ部を形成する出力ノードND10は、選択トランジスタSEL10-Trを介して垂直信号線LSGN10に接続されている。
選択トランジスタSEL10-Trは、制御信号SEL10がHレベルの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF10-TrはフローティングディフュージョンFD10の電荷を利得をもって電圧信号に変換した列出力の読み出し信号VSL(PIXOUT)を垂直信号線LSGN10に出力する。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタTG10-Tr、リセットトランジスタRST10-Tr、および選択トランジスタSEL10-Trの各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時並列的に行われる。
The source follower transistor SF10-Tr and the selection transistor SEL10-Tr are connected in series between the power supply line Vaapix and the vertical signal line LSGN10.
A floating diffusion FD10 is connected to the gate of the source follower transistor SF10-Tr, and the selection transistor SEL10-Tr is controlled via a control signal SEL10.
The source follower transistor SF10-Tr serving as a source follower element has a source connected to the read node ND11, a drain connected to the power supply line Vaapix, and a gate connected to the floating diffusion FD10.
An output node ND10 forming an output buffer section is connected to a vertical signal line LSGN10 via a selection transistor SEL10-Tr.
The selection transistor SEL10-Tr is selected and turned on while the control signal SEL10 is at H level, so that the source follower transistor SF10-Tr outputs a column output read signal VSL (PIXOUT) obtained by converting the charge of the floating diffusion FD10 into a voltage signal with gain to the vertical signal line LSGN10.
These operations are performed simultaneously in parallel for each pixel in one row, since the gates of the transfer transistor TG10-Tr, the reset transistor RST10-Tr, and the selection transistor SEL10-Tr are connected in row units.
垂直走査回路30は、タイミング制御回路60の制御に応じてシャッター行および読み出し行において行走査制御線を通して画素の駆動を行う。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
The
Furthermore, the
上述したように、通常の画素読み出し動作においては、垂直走査回路30による駆動により、シャッタースキャンが行われ、その後、読み出しスキャンが行われる。
As described above, in normal pixel readout operation, shutter scanning is performed by driving the
読み出し回路40は、画素部20の各列出力に対応して配置された複数の列信号処理回路(図示せず)を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。
The
読み出し回路40は、相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)回路やADC(アナログデジタルコンバータ;AD変換器)、アンプ(AMP,増幅器)、サンプルホールド(S/H)回路等を含んで構成可能である。
The
このように、読み出し回路40は、たとえば図8(A)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをデジタル信号に変換するADC41を含んで構成されてもよい。
あるいは、読み出し回路40は、たとえば図8(B)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLを増幅するアンプ(AMP)42が配置されてもよい。
また、読み出し回路40は、たとえば図8(C)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをサンプル、ホールドするサンプルホールド(S/H)回路43が配置されてもよい。
In this way, the
Alternatively, the
Furthermore, the
水平走査回路50は、読み出し回路40のADC等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、図示しない信号処理回路に出力する。
The
タイミング制御回路60は、画素部20、垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。
The
以上、本第1の実施形態の固体撮像素子10の各部の構成および機能について説明した。
次に、本第1の実施形態に係る光電変換部としての埋め込み型のフォトダイオードPPDの具体的な構成例並びに画素配列例について説明する。
The configuration and function of each part of the solid-
Next, a specific configuration example of the buried photodiode PPD as the photoelectric conversion section according to the first embodiment and an example of a pixel arrangement will be described.
(埋め込み型のフォトダイオードPDの具体的な構成例)
ここで、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10の共有画素PXL20を形成する埋め込み型のフォトダイオードPDの具体的な構成例について図9に関連付けて説明する。
(Specific Configuration Example of Buried Photodiode PD)
Here, a specific configuration example of the embedded photodiode PD forming the shared pixel PXL20 of the solid-
図9は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素PXL20の主要部である埋め込み型のフォトダイオードPDおよび転送トランジスタを含む電荷蓄積転送系の構成例を示す簡略断面図である。
なお、ここでは、埋め込み型のフォトダイオード(PD)部分を符号200で表す。
FIG. 9 is a simplified cross-sectional view showing an example of the configuration of a charge accumulation and transfer system including a buried photodiode PD and a transfer transistor, which are the main components of the shared pixel PXL20 of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
In this embodiment, the embedded photodiode (PD) portion is denoted by
共有画素PXL20は、光Lが照射される第1基板面1101側(たとえば裏面側)と、この第1基板面1101側と対向する側の第2基板面1102側とを有する基板(本例では第1の基板110)に形成され、分離層SPLにより分離されている。
そして、図9の本実施形態に係る共有画素PLX20は、たとえば第1のフォトダイオードPD10、第1の転送トランジスタTG10-Tr、フローティングディフュージョンFD10、分離層SPL、さらには図示しないカラーフィルタ部およびマイクロレンズを含んで構成されている。
The shared pixel PXL20 is formed on a substrate (in this example, the first substrate 110) having a
The shared pixel PLX20 according to this embodiment of FIG. 9 is configured to include, for example, a first photodiode PD10, a first transfer transistor TG10-Tr, a floating diffusion FD10, an isolation layer SPL, and further a color filter section and a microlens (not shown).
なお、図9の画素は裏面照射型を一例として示しているが、本発明は、表面照射型であってもよい。 Note that while the pixel in FIG. 9 is shown as an example of a back-illuminated type, the present invention may also be of a front-illuminated type.
(フォトダイオードの構成)
第1のフォトダイオードPD10は、第1基板面1101側と、第1基板面1101側と対向する側の第2基板面1102側とを有する半導体基板の第2導電型(本実施形態ではp型)のエピタキシャル層(p-epi)2101に対して埋め込むように形成された第1導電型(本実施形態ではn型)半導体層(本実施形態ではn層)2102を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。
第1のフォトダイオードPD10の基板の法線に直交する方向(X方向)における図中の両側には、エピタキシャル層(p-epi)2101R、2101Lを介して第2の導電型(本実施形態ではp型)分離層SPL(SPL1,SPL2)が形成されている。
(Photodiode configuration)
The first photodiode PD10 includes a first conductivity type (n type in this embodiment) semiconductor layer (n layer in this embodiment) 2102 formed so as to be embedded in a second conductivity type (p type in this embodiment) epitaxial layer (p-epi) 2101 of a semiconductor substrate having a
On both sides of the first photodiode PD10 in the direction (X direction) perpendicular to the normal to the substrate, second conductivity type (p-type in this embodiment) isolation layers SPL (SPL1, SPL2) are formed via epitaxial layers (p-epi) 2101R, 2101L.
図9の第1のフォトダイオードPD10においては、n層(第1導電型半導体層)2102の第2基板面1102側にp+層2103が形成されている。
なお、エピタキシャル層(p-epi)2101の光入射側には、カラーフィルタ部が形成され、さらに、カラーフィルタ部の光入射側であって、第1のフォトダイオードPD10に光を適切に集光するようにマイクロレンズが形成されている。
In the first photodiode PD10 in FIG. 9, a
A color filter section is formed on the light incident side of the epitaxial layer (p-epi) 2101, and further, a microlens is formed on the light incident side of the color filter section so as to appropriately focus light on the first photodiode PD10.
(X方向(列方向)における分離層の構成)
図9のX方向(列方向)右側におけるp型分離層2104(SPL1)の第2の基板面1102側にはフローティングディフュージョンFD10となるn+層2105が形成されている。
図9のX方向(列方向)左側にはp型分離層2106(SPL2)が形成されている。
そして、第2基板面1102側のエピタキシャル層(p-epi)2101R上に、ゲート絶縁膜を介して第1の転送トランジスタTG0-Trのゲート電極2107が形成されている。
第1の転送トランジスタTG10-Tr下には第1のフォトダイオードPD10からフローティングディフュージョンFD10にいたるオーバーフローパスOVPが形成される。
なお、オーバーフローパスOVPの電位は、たとえばゲート制御により行うことも可能である。
(Configuration of Separation Layer in X-Direction (Column Direction))
An
On the left side in the X direction (column direction) of FIG. 9, a p-type isolation layer 2106 (SPL2) is formed.
A
An overflow path OVP extending from the first photodiode PD10 to the floating diffusion FD10 is formed below the first transfer transistor TG10-Tr.
The potential of the overflow path OVP can also be controlled by gate control, for example.
本第1の実施形態の共有画素PXL20は、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD10の容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能となるように、4つのPD、1つのFD等の配置に関して、以下に示すような特徴的な配置構成が採用されている。 The shared pixel PXL20 of the first embodiment not only enables the pixel size to be miniaturized while maintaining the sensitivity and saturation charge number, but also suppresses the increase in junction capacitance and wiring capacitance, suppresses the increase in the capacitance of the floating diffusion FD10 as the output node, prevents a decrease in conversion gain, and ultimately improves noise characteristics. In this way, the following characteristic arrangement configuration is adopted for the arrangement of the four PDs, one FD, etc.
(共有画素PXL204つのPD、1つのFD等の配置例)
次に、共有画素PXL20の4つのフォトダイオードPD10,PD11,PD12,PD13、転送トランジスタTG10-Tr,TG11-Tr,TG12-Tr,TG13-Tr、並びに、1つのフローティングディフュージョンFD10、リセットトランジスタRST10-Tr、ソースフォロワトランジスタSF10-Tr、および選択トランジスタSEL10-Trの配置例について説明する。
なお、以下の説明において、各素子の左右等の配置位置は、一例であって図示する例であることを問わない。
(Example of arrangement of shared
Next, an example of the arrangement of the four photodiodes PD10, PD11, PD12, and PD13 of the shared pixel PXL20, the transfer transistors TG10-Tr, TG11-Tr, TG12-Tr, and TG13-Tr, as well as one floating diffusion FD10, the reset transistor RST10-Tr, the source follower transistor SF10-Tr, and the selection transistor SEL10-Tr will be described.
In the following description, the left and right arrangement positions of the elements are merely examples and do not necessarily have to be the examples shown in the drawings.
図10は、本第1の実施形態に係る共有画素の4つのフォトダイオード、転送トランジスタ、並びに、1つのフローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタの配置例を示す簡略平面図である。 Figure 10 is a simplified plan view showing an example arrangement of four photodiodes, a transfer transistor, one floating diffusion FD, a reset transistor, a source follower transistor, and a selection transistor of a shared pixel according to the first embodiment.
共有画素PXL20は、素子の形成領域として、中央部分の中央領域CTAR20、並びに、中央領域CTAR20を挟んで両側(Y方向)の第1の領域FSAR20および第2の領域SCAR20を含んで、矩形領域RCT20が割り当てられている。 The shared pixel PXL20 is assigned a rectangular region RCT20 as an element formation region, including a central region CTAR20 in the central portion, and a first region FSAR20 and a second region SCAR20 on either side (Y direction) of the central region CTAR20.
中央領域CTAR20には、フローティングディフュージョンFD10がX方向およびY方向の中央部に形成され、そのX方向の図中右側に、リセットトランジスタRST10-Trが形成され、左側にソースフォロワトランジスタSF10-Tr、選択トランジスタSEL10-Trが形成されている。 In the central region CTAR20, a floating diffusion FD10 is formed in the center in the X and Y directions, with a reset transistor RST10-Tr formed on the right side in the X direction as shown in the figure, and a source follower transistor SF10-Tr and a selection transistor SEL10-Tr formed on the left side.
第1の領域FSAR20には、第1のフォトダイオードPD10、第1の転送トランジスタTG10-Tr,並びに、第3のフォトダイオードPD12、第3の転送トランジスタTG12-TrがX方向に隣接するように形成されている。
図10の例では、第1のフォトダイオードPD10、第1の転送トランジスタTG10-Trが第1の領域FSAR20の図中左側(左半分の領域)に形成され、第3のフォトダイオードPD12、第3の転送トランジスタTG12-Trが第1の領域FSAR20の図中右側(右半分の領域)に形成されている。
第1の転送トランジスタTG10-Trおよび第3の転送トランジスタTG12-Trが中央領域CTAR20側にフローティングディフュージョンFD10と接続するように、平面視して三角形状に形成されている。
In the first region FSAR20, a first photodiode PD10, a first transfer transistor TG10-Tr, a third photodiode PD12, and a third transfer transistor TG12-Tr are formed adjacent to each other in the X direction.
In the example of FIG. 10, the first photodiode PD10 and the first transfer transistor TG10-Tr are formed on the left side of the first region FSAR20 in the figure (left half of the region), and the third photodiode PD12 and the third transfer transistor TG12-Tr are formed on the right side of the first region FSAR20 in the figure (right half of the region).
The first transfer transistor TG10-Tr and the third transfer transistor TG12-Tr are formed in a triangular shape in plan view so as to be connected to the floating diffusion FD10 on the central region CTAR20 side.
第2の領域SCAR20には、第2のフォトダイオードPD11、第2の転送トランジスタTG11-Tr、並びに、第4のフォトダイオードPD13、第4の転送トランジスタTG13-TrがX方向に隣接するように形成されている。
図10の例では、第2のフォトダイオードPD11、第2の転送トランジスタTG11-Trが第1の領域FSAR2の図中左側(左半分の領域)に形成され、第4のフォトダイオードPD13、第4の転送トランジスタTG13-Trが第1の領域FSAR20の図中右側(右半分の領域)に形成されている。
第2の転送トランジスタTG11-Trおよび第4の転送トランジスタTG13-Trが中央領域CTAR20側にフローティングディフュージョンFD10と接続するように、平面視して三角形状に形成されている。
In the second region SCAR20, a second photodiode PD11, a second transfer transistor TG11-Tr, a fourth photodiode PD13, and a fourth transfer transistor TG13-Tr are formed adjacent to each other in the X direction.
In the example of FIG. 10, the second photodiode PD11 and the second transfer transistor TG11-Tr are formed on the left side of the first region FSAR2 in the figure (left half of the region), and the fourth photodiode PD13 and the fourth transfer transistor TG13-Tr are formed on the right side of the first region FSAR20 in the figure (right half of the region).
The second transfer transistor TG11-Tr and the fourth transfer transistor TG13-Tr are formed in a triangular shape in plan view so as to be connected to the floating diffusion FD10 on the central region CTAR20 side.
本第1の実施形態の共有画素PXL20において、フローティングディフュージョンFD10は、平面視して、拡散層の基幹部FBSが、互いに対向する第1の側部SDP1と第2の側部SDP2を含む長方形状に形成されている。そして、基幹部FBSには、第2の側部SDP2の中央部からX方向(右側に)延びる、リセットトランジスタRST10-Tr等を形成するための分岐部FBRが形成されている。換言すれば、フローティングディフュージョンFD10は、略T字形状に形成されている。
素子形成領域の中央部CTRに、フローティングディフュージョンFD10の第1の側部SDP1に直交する第1の方向(たとえばX方向)に隣接してソースフォロワトランジスタSF10-Trが配置され、フローティングディフュージョンFD10の第2の側部SDP2の第1の方向に隣接してリセットトランジスタRST10-Trが配置されている。
フローティングディフュージョンFD10とソースフォロワトランジスタSF10-Trが配線WR20により接続されている。
また、ソースフォロワトランジスタSF10-TrにX方向の左側に隣接して選択トランジスタSEL10-Trが配置されている。
In the shared pixel PXL20 of the first embodiment, the floating diffusion FD10 has a diffusion layer backbone FBS formed in a rectangular shape including a first side portion SDP1 and a second side portion SDP2 opposed to each other in a plan view. The backbone FBS has a branch portion FBR for forming the reset transistor RST10-Tr and the like, which extends in the X direction (to the right) from the center of the second side portion SDP2. In other words, the floating diffusion FD10 is formed in a substantially T-shape.
A source follower transistor SF10-Tr is arranged in a central portion CTR of the element formation region adjacent to a first direction (e.g., the X direction) perpendicular to a first side portion SDP1 of the floating diffusion FD10, and a reset transistor RST10-Tr is arranged adjacent to a second side portion SDP2 of the floating diffusion FD10 in the first direction.
The floating diffusion FD10 and the source follower transistor SF10-Tr are connected by a wire WR20.
Furthermore, a selection transistor SEL10-Tr is disposed adjacent to the source follower transistor SF10-Tr on the left side in the X direction.
第2の方向(たとえばY方向)に隣接するフォトダイオード、すなわち、第1のフォトダイオードPD10と第2のフォトダイオードPD11、並びに、第3のフォトダイオードPD12と第4のフォトダイオードPD13は、少なくともソースフォロワトランジスタSF10-Tr、選択トランジスタSEL10-Tr,およびリセットトランジスタらT10-Tr(MOSトランジスタ)が形成可能な第1の間隔D1をおいて配置されている。
そして、第1の方向(X方向)に隣接する光電変換素子、すなわち、第1のフォトダイオードPD10と第3のフォトダイオードPD12、並びに、第2のフォトダイオードPD11と第4のフォトダイオードPD13は、第1の間隔D1より狭い第2の間隔D2(D1>D2)をおいて配置されている。
Adjacent photodiodes in a second direction (e.g., the Y direction), i.e., the first photodiode PD10 and the second photodiode PD11, as well as the third photodiode PD12 and the fourth photodiode PD13, are arranged at a first distance D1 that allows for the formation of at least a source follower transistor SF10-Tr, a selection transistor SEL10-Tr, and a reset transistor SF10-Tr (MOS transistors).
Adjacent photoelectric conversion elements in the first direction (X direction), i.e., the first photodiode PD10 and the third photodiode PD12, as well as the second photodiode PD11 and the fourth photodiode PD13, are arranged at a second distance D2 (D1>D2) narrower than the first distance D1.
フローティングディフュージョンFD10の第1の側部SDP1の第2の方向(Y方向)における第1の側部側端縁部(図10中、FD10の左上端部)SDT11と、この第1の側部側端縁部SDT11と対向する第1のフォトダイオードPD10の第1の縁部(図10中、PD10の右下端部)ED111との間を接続するように、第1の転送トランジスタTG10-Trが配置(形成)されている。
すなわち、第1の転送トランジスタTG10-Trは、フローティングディフュージョンFD10の第1の側部側端縁部SDT11と対応するフォトダイオードPD10の第1の縁部ED111間を跨がるようにして配置されている。
The first transfer transistor TG10-Tr is arranged (formed) to connect between a first side edge portion SDT11 (the upper left end portion of FD10 in FIG. 10) in the second direction (Y direction) of the first side portion SDP1 of the floating diffusion FD10 and a first edge portion ED111 (the lower right end portion of PD10 in FIG. 10) of the first photodiode PD10 that faces this first side edge portion SDT11.
That is, the first transfer transistor TG10-Tr is disposed so as to straddle between the first side edge portion SDT11 of the floating diffusion FD10 and the first edge portion ED111 of the corresponding photodiode PD10.
フローティングディフュージョンFD10の第1の側部SDP1の第2の方向(Y方向)における第1の側部側端縁部(図10中、FD10の左下端部)SDT12と、この第1の側部側端縁部SDT12と対向する第2のフォトダイオードPD11の第1の縁部(図10中、PD11の右上端部)ED112との間を接続するように。第2の転送トランジスタTG11-Trが配置(形成)されている。
すなわち、第2の転送トランジスタTG11-Trは、フローティングディフュージョンFD10の第1の側部側端縁部SDT12と対応するフォトダイオードPD10の第1の縁部ED112間を跨がるようにして配置されている。
A second transfer transistor TG11-Tr is arranged (formed) so as to connect between a first side edge portion SDT12 (the lower left end portion of FD10 in FIG. 10) in the second direction (Y direction) of the first side portion SDP1 of the floating diffusion FD10 and a first edge portion ED112 (the upper right end portion of PD11 in FIG. 10) of the second photodiode PD11 facing the first side edge portion SDT12.
That is, the second transfer transistor TG11-Tr is disposed so as to straddle between the first side edge portion SDT12 of the floating diffusion FD10 and the first edge portion ED112 of the corresponding photodiode PD10.
フローティングディフュージョンFD10の第2の側部SDP2の第2の方向(Y方向)における第2の側部側端縁部(図10中、FD10の右上端部)SDT21と、この第2の側部側端縁部SDT12と対向する第3のフォトダイオードPD12の、第1の縁部(図10中、PD12の左下端部)ED121との間を接続するように。第3の転送トランジスタTG12-Trが配置(形成)されている。
すなわち、第3の転送トランジスタTG12-Trは、フローティングディフュージョンFD10の第2の側部側端縁部SDT21と対応するフォトダイオードPD10の縁部ED121間を跨がるようにして配置されている。
A third transfer transistor TG12-Tr is arranged (formed) so as to connect between a second side edge portion SDT21 (the upper right end portion of FD10 in FIG. 10) in the second direction (Y direction) of the second side portion SDP2 of the floating diffusion FD10 and a first edge portion ED121 (the lower left end portion of PD12 in FIG. 10) of the third photodiode PD12 facing the second side edge portion SDT12.
That is, the third transfer transistor TG12-Tr is disposed so as to straddle between the second side edge portion SDT21 of the floating diffusion FD10 and the corresponding edge portion ED121 of the photodiode PD10.
フローティングディフュージョンFD10の第2の側部SDP2の第2の方向(Y方向)における第2の側部側端縁部(図10中、FD10の右下端部)SDT22と、この第2の側部側端縁部SDT22と対向する第4のフォトダイオードPD13の第1の縁部(図10中、PD13の左上端部)ED122との間を接続するように。第4の転送トランジスタTG13-Trが配置(形成)されている。
すなわち、第4の転送トランジスタTG13-Trは、フローティングディフュージョンFD10の第2の側部側端縁部SDT22と対応するフォトダイオードPD10の縁部ED122間を跨がるようにして配置されている。
A fourth transfer transistor TG13-Tr is arranged (formed) so as to connect between a second side edge portion SDT22 (the lower right end portion of FD10 in FIG. 10) in the second direction (Y direction) of the second side portion SDP2 of the floating diffusion FD10 and a first edge portion ED122 (the upper left end portion of PD13 in FIG. 10) of the fourth photodiode PD13 facing the second side edge portion SDT22.
That is, the fourth transfer transistor TG13-Tr is disposed so as to straddle between the second side edge portion SDT22 of the floating diffusion FD10 and the corresponding edge portion ED122 of the photodiode PD10.
図11は、本第1の実施形態に係る共有画素の主要部の簡略断面図であって、フローティングディフュージョンの容量に付加する付加容量成分について説明するための図である。
図12は、本第1の実施形態に係る共有画素の特徴的構成を持たない図11の共有画素に対する比較例の共有画素の主要部の簡略断面図であって、フローティングディフュージョンの容量に付加する付加容量成分について説明するための図である。
FIG. 11 is a simplified cross-sectional view of a main part of a shared pixel according to the first embodiment, and is a diagram for explaining an additional capacitance component added to the capacitance of the floating diffusion.
Figure 12 is a simplified cross-sectional view of the main parts of a shared pixel that is a comparative example to the shared pixel of Figure 11 which does not have the characteristic configuration of the shared pixel of the first embodiment, and is a figure for explaining the additional capacitance component added to the capacitance of the floating diffusion.
以上のように、本第1の実施形態によれば、Y方向に隣接するフォトダイオードPD10とPD11、並びに、フォトダイオードPD12とPD13の間である素子形成領域の中央部CTRに、フローティングディフュージョンFD10の第1の側部SDP1に直交する第1の方向(たとえばX方向)に隣接してソースフォロワトランジスタSF10-Trが配置され、フローティングディフュージョンFD10の第2の側部SDP2の第1の方向に隣接してリセットトランジスタRST10-Trが配置されている。また、ソースフォロワトランジスタSF10-TrにX方向の左側に隣接して選択トランジスタSEL10-Trが配置されている。
そして、図11に示すように、フローティングディフュージョンFD10とソースフォロワトランジスタSF10-Trが配線WR20により接続されている。
As described above, according to the first embodiment, in the central portion CTR of the element formation region between the photodiodes PD10 and PD11 adjacent in the Y direction and the photodiodes PD12 and PD13, the source follower transistor SF10-Tr is arranged adjacent in a first direction (for example, the X direction) perpendicular to the first side portion SDP1 of the floating diffusion FD10, and the reset transistor RST10-Tr is arranged adjacent in the first direction to the second side portion SDP2 of the floating diffusion FD10. In addition, the selection transistor SEL10-Tr is arranged adjacent to the source follower transistor SF10-Tr on the left side in the X direction.
As shown in FIG. 11, the floating diffusion FD10 and the source follower transistor SF10-Tr are connected by a wiring WR20.
したがって、本第1の実施形態によれば、図12に示す比較例と比べて、フローティングディフュージョンFD10とソースフォロワトランジスタSF10-Trのゲートを接続するための配線WR20が大幅に短くなる。
すなわち、図12に示す比較例では、フローティングディフュージョンFD10に接続されるソースフォロワトランジスタSF10-TrおよびリセットトランジスタRST-Trからの配線WR20cの配線長LMCが、図11に示す本実施形態に係る配置構成による配線長LPEより大幅に長い。
そのため、比較例では、接合(ジャンクション)容量および、電気的に接続するための配線容量が増えて、FDノードの容量(Cfd)が増加して、変換利得(コンバージョンゲイン)が低減して、ノイズ特性が劣化するという不利益がある。
図12の比較例では、付加容量成分として、フローティングディフュージョンFDを形成するn+拡散層2015における接合容量C1、配線WR20cとフォトダイオードPD間の配線間容量C2、配線WR20cと分離層STI間の配線間容量C3、ソースフォロワトランジスタSF-Trのゲート容量C4、およびリセットトランジスタRST-Trのn+拡散層における接合容量C5が例示されている。
Therefore, according to the first embodiment, the wiring WR20 for connecting the floating diffusion FD10 and the gate of the source follower transistor SF10-Tr is significantly shorter than in the comparative example shown in FIG.
That is, in the comparative example shown in FIG. 12, the wiring length LMC of the wiring WR20c from the source follower transistor SF10-Tr and the reset transistor RST-Tr connected to the floating diffusion FD10 is significantly longer than the wiring length LPE in the arrangement configuration according to this embodiment shown in FIG.
Therefore, in the comparative example, the junction capacitance and the wiring capacitance for electrical connection increase, the capacitance of the FD node (Cfd) increases, the conversion gain decreases, and the noise characteristics deteriorate.
In the comparative example of Figure 12, examples of additional capacitance components include a junction capacitance C1 in the n+ diffusion layer 2015 that forms the floating diffusion FD, an inter-wiring capacitance C2 between the wiring WR20c and the photodiode PD, an inter-wiring capacitance C3 between the wiring WR20c and the isolation layer STI, a gate capacitance C4 of the source follower transistor SF-Tr, and a junction capacitance C5 in the n+ diffusion layer of the reset transistor RST-Tr.
これに対して、本第1の実施形態に係る配置構成によれば、フローティングディフュージョンFD10に接続されるソースフォロワトランジスタSF10-TrおよびリセットトランジスタRST-Trからの配線WR20の配線長LPEが、図12に示す比較例による配線長LMCより大幅に短い。
そのため、本例では、接合(ジャンクション)容量および、電気的に接続するための配線容量が減少し、FDノードの容量(Cfd)が削減され、変換利得を増加させることが可能となり、ノイズ特性を向上させることができるという利益がある。
図11の本実施形態の配置構成では、付加容量成分として、フローティングディフュージョンFDを形成するn+拡散層2015における接合容量C11、配線WR20と分離層STI間の配線間容量C12、ソースフォロワトランジスタSF10-Trのゲート容量C13が例示されている。
In contrast, according to the layout configuration of the first embodiment, the wiring length LPE of the wiring WR20 from the source follower transistor SF10-Tr and the reset transistor RST-Tr connected to the floating diffusion FD10 is significantly shorter than the wiring length LMC in the comparative example shown in FIG.
Therefore, in this example, the junction capacitance and the wiring capacitance for electrical connection are reduced, the capacitance of the FD node (Cfd) is reduced, the conversion gain can be increased, and noise characteristics can be improved.
In the layout configuration of this embodiment in Figure 11, examples of additional capacitance components include a junction capacitance C11 in the n+ diffusion layer 2015 that forms the floating diffusion FD, an inter-wiring capacitance C12 between the wiring WR20 and the isolation layer STI, and a gate capacitance C13 of the source follower transistor SF10-Tr.
本第1の実施形態においては、さらに、フローティングディフュージョンFD10を中心として正方配列される(放射状に配列される)。
そして、第2の方向(たとえばY方向)に隣接する第1のフォトダイオードPD10と第2のフォトダイオードPD11、並びに、第3のフォトダイオードPD12と第4のフォトダイオードPD13は、少なくともソースフォロワトランジスタSF10-Tr、選択トランジスタSEL10-Tr,およびリセットトランジスタらT10-Tr(MOSトランジスタ)が形成可能な第1の間隔D1をおいて配置されている。
そして、第1の方向(X方向)に隣接する第1のフォトダイオードPD10と第3のフォトダイオードPD12、並びに、第2のフォトダイオードPD11と第4のフォトダイオードPD13は、第1の間隔D1より狭い第2の間隔D2(D1>D2)をおいて配置されている。
In the first embodiment, the semiconductor lasers are further arranged in a square shape (arranged radially) with the floating diffusion FD10 at the center.
The first photodiode PD10 and the second photodiode PD11, as well as the third photodiode PD12 and the fourth photodiode PD13, which are adjacent in the second direction (for example, the Y direction), are arranged at a first distance D1 that allows for the formation of at least a source follower transistor SF10-Tr, a selection transistor SEL10-Tr, and a reset transistor SF10-Tr (MOS transistors).
The first photodiode PD10 and the third photodiode PD12, as well as the second photodiode PD11 and the fourth photodiode PD13, which are adjacent to each other in the first direction (X direction), are arranged with a second distance D2 (D1>D2) narrower than the first distance D1.
したがって、本第1の実施形態によれば、フローティングディフュージョンFD10の基幹部FBSの形状を細長い長方形状とすることが可能となり、フローティングディフュージョンFD10部の面積を可能な限り小さくすることが可能となる。
これにより、フローティングディフュージョンFD10の容量を確実に小さくでき、変換利得を上げることができ、ノイズを大幅に削減することが可能となるという利益がある。
また、フローティングディフュージョンFD10部の面積が小さくなることから、画素サイズの微細化を確実に実現することが可能となる。
Therefore, according to the first embodiment, it is possible to form the shape of the backbone FBS of the floating diffusion FD10 in a long and narrow rectangular shape, and it is possible to make the area of the floating diffusion FD10 as small as possible.
This has the advantage that the capacitance of the floating
Furthermore, since the area of the floating
ここで、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置10の図10のレイアウトと、第1の比較例としての図4のレイアウトと、第2の比較例としての図5のレイアウトにおけるフローティングディフュージョンFDノード容量、配線容量、それらのトータル容量、並びに、画素サイズをシミュレーションにより比較した例を示す。
Here, we show an example of a comparison by simulation of the floating diffusion FD node capacitance, wiring capacitance, their total capacitance, and pixel size in the layout of FIG. 10 of the solid-
図13(A)~(C)は、FDノード容量、配線容量、それらのトータル容量、並びに、画素サイズの比較対象である本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト、第1の比較例のレイアウト、および第2の比較例のレイアウトを示す図である。
図14は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト、第1の比較例のレイアウト、および第2の比較例のレイアウトにおけるFDノード容量、配線容量、それらのトータル容量、並びに、画素サイズを比較して表として示す図である。
図13において、FD WはフローティングディフュージョンFDの接合面積を示し、Wは転送トランジスタTG0-10のインレットの幅を示している。
また、図14において、FDノード容量NCAP、配線容量WCAP、トータル容量TCAPは本発明の容量を1として相対比で表してある。
13A to 13C are diagrams showing the layout of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, which is used for comparison of the FD node capacitance, wiring capacitance, and their total capacitance, as well as pixel size, a layout of a first comparative example, and a layout of a second comparative example.
FIG. 14 is a table comparing the FD node capacitance, wiring capacitance, their total capacitance, and pixel size in the layout of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, the layout of the first comparative example, and the layout of the second comparative example.
In FIG. 13, FD W indicates the junction area of the floating diffusion FD, and W indicates the width of the inlet of the transfer transistors TG0-10.
In FIG. 14, the FD node capacitance NCAP, the wiring capacitance WCAP, and the total capacitance TCAP are shown in relative ratio with the capacitance of the present invention being set to 1.
シミュレーションによれば、本発明のレイアウトでは、フローティングディフュージョンFDのノード容量NCPは0.5、配線容量WCAPは0.5で、トータル容量TCAPは1である。そして、画素サイズPSZは1.5μmである。
第1の比較例では、フローティングディフュージョンFDのノード容量NCPは1、配線容量WCAPは0.5で、トータル容量TCAPは1.5である。そして、画素サイズPSZは2μmである。
第2の比較例では、フローティングディフュージョンFDのノード容量NCPは0.5、配線容量WCAPは1で、トータル容量TCAPは1.5である。そして、画素サイズPSZは1.5μmである。
According to a simulation, in the layout of the present invention, the node capacitance NCP of the floating diffusion FD is 0.5, the wiring capacitance WCAP is 0.5, and the total capacitance TCAP is 1. The pixel size PSZ is 1.5 μm.
In the first comparative example, the node capacitance NCP of the floating diffusion FD is 1, the wiring capacitance WCAP is 0.5, the total capacitance TCAP is 1.5, and the pixel size PSZ is 2 μm.
In the second comparative example, the node capacitance NCP of the floating diffusion FD is 0.5, the wiring capacitance WCAP is 1, and the total capacitance TCAP is 1.5. The pixel size PSZ is 1.5 μm.
これからわかるように、本第1の実施形態の固体撮像装置によれば、第1および第2の比較例に比較して、フローティングディフュージョンFDの接合面積FD Wを大幅に削減することができることから、FDノード容量NCAP、配線容量WCAPを削減できる。これにより、トータル容量TCAPを確実に削減することができ、変換利得を増加させることが可能となり、ノイズ特性を向上させることができるという利益がある。
また、フローティングディフュージョンFD10部の面積が小さくなることから、画素サイズPSZの微細化を確実に実現することが可能となる。
As can be seen from this, according to the solid-state imaging device of the first embodiment, the junction area FDW of the floating diffusion FD can be significantly reduced compared to the first and second comparative examples, and therefore the FD node capacitance NCAP and the wiring capacitance WCAP can be reduced. This ensures that the total capacitance TCAP can be reduced, making it possible to increase the conversion gain and improve the noise characteristics.
Furthermore, since the area of the floating
以上説明したように、本第1の実施形態によれば、画素構成要素を4つの画素で共通化できるため、1画素当たりのフォトダイオードPDのサイズを最大化できることから、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、レイアウトが容易で、フローティングディフュージョンFD10とソースフォロワトランジスタSF10-Trのゲートを接続するための配線WR20が大幅に短くでき、しかもフローティングディフュージョンFD10を十分に小さく形成できるため、フローティングディフュージョンFD10の変換利得を高く保持することが可能である。
換言すると、本第1の実施形態によれば、感度および飽和電荷数を維持しつつ画素サイズの微細化を図ることが可能となることはもとより、接合容量および配線容量の増加を抑えることができ、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD10の容量の増加を抑止して、変換利得の低下を防止でき、ひいてはノイズ特性の向上を図ることが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, pixel components can be shared among four pixels, and therefore the size of the photodiode PD per pixel can be maximized. This not only makes it possible to reduce the pixel size while maintaining the sensitivity and the number of saturation charges, but also simplifies the layout, significantly shortens the wiring WR20 for connecting the floating diffusion FD10 and the gate of the source follower transistor SF10-Tr, and makes it possible to form the floating diffusion FD10 sufficiently small, thereby making it possible to maintain a high conversion gain of the floating diffusion FD10.
In other words, according to the first embodiment, not only can it be possible to reduce the pixel size while maintaining the sensitivity and the number of saturation charges, but it is also possible to suppress an increase in the junction capacitance and the wiring capacitance, and to suppress an increase in the capacitance of the floating diffusion FD10 serving as the output node, thereby preventing a decrease in the conversion gain, and ultimately improving the noise characteristics.
(第2の実施形態)
図15は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素の一例を示す回路図である。
図16は、本第2の実施形態に係る共有画素の4つのフォトダイオード、転送トランジスタ、並びに、1つのフローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタの配置例を示す簡略平面図である。
Second Embodiment
FIG. 15 is a circuit diagram showing an example of a shared pixel of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a simplified plan view showing an example of the arrangement of four photodiodes, a transfer transistor, one floating diffusion FD, a reset transistor, a source follower transistor, and a selection transistor of a shared pixel according to the second embodiment.
本第2の実施形態に係る固体撮像装置10Aの共有画素PXL20Aが上述した第1の実施形態に係る固体撮像装置10の共有画素PXL20と異なる点は、次の通りである。
The shared pixel PXL20A of the solid-state imaging device 10A according to the second embodiment differs from the shared pixel PXL20 of the solid-
本第2の実施形態に係る固体撮像装置10Aの共有画素PXL20Aにおいては、各フォトダイオードPD10,PD11,PD12,PD13の各蓄積部PND10,PND11,PND12,PND13と電源電圧VAAPIXの電源線Vaapixとの間に接続され、各フォトダイオードPD10,PD11,PD12,PD13から電荷を、フローティングディフュージョン領域方向またはフローティングディフュージョン領域外方向にオーバーフローさせることが可能な複数の電荷オーバーフローゲート素子としてのシャッタゲートトランジスタSG10-Tr,SG11-Tr,SG12-Tr,SG13-Trを有している。
そして、電荷オーバーフローゲート素子としてのシャッタゲートトランジスタSG10-Tr,SG11-Tr,SG12-Tr,SG13-Trは、各フォトダイオードPD10,PD11,PD12,PD13において各転送トランジスタTG10-Tr,TG11-Tr,TG2-Tr,TG13-Trが配置された第1の縁部ED111,ED112,ED121,ED122とは離間した外縁側の第2の縁部ED211,ED212,ED221,EED222と接続するように配置されている。
The shared pixel PXL20A of the solid-state imaging device 10A according to the second embodiment has shutter gate transistors SG10-Tr, SG11-Tr, SG12-Tr, and SG13-Tr that are connected between each storage section PND10, PND11, PND12, and PND13 of each photodiode PD10, PD11, PD12, and PD13 and a power supply line Vaapix of a power supply voltage VAAPIX and serve as a plurality of charge overflow gate elements that can cause charge to overflow from each photodiode PD10, PD11, PD12, and PD13 toward the floating diffusion region or toward the outside of the floating diffusion region.
The shutter gate transistors SG10-Tr, SG11-Tr, SG12-Tr, and SG13-Tr as charge overflow gate elements are arranged so as to connect to second edge portions ED211, ED212, ED221, and EED222 on the outer edge side spaced apart from first edge portions ED111, ED112, ED121, and ED122 in which the transfer transistors TG10-Tr, TG11-Tr, TG2-Tr, and TG13-Tr are arranged in each photodiode PD10, PD11, PD12, and PD13.
具体的には、第1のフォトダイオードPD10とフローティングディフュージョンFD10との間に第1の転送素子としての第1の転送トランジスタTG10-Trが接続され、第1のフォトダイオードPD10と所定の固定電位VAAPIXとの間に、第1の電荷オーバーフローゲート素子としての第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Trが接続されている。
そして、第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Trは、図16に示すように、第1のフォトダイオードPD10において第1の転送トランジスタTG10-Trが配置された第1の縁部ED111とは離間した外縁側の第2の縁部ED211と接続するように配置されている。
Specifically, a first transfer transistor TG10-Tr serving as a first transfer element is connected between the first photodiode PD10 and the floating diffusion FD10, and a first shutter gate transistor SG10-Tr serving as a first charge overflow gate element is connected between the first photodiode PD10 and a predetermined fixed potential VAAPIX.
As shown in FIG. 16, the first shutter gate transistor SG10-Tr is arranged so as to be connected to a second edge portion ED211 on the outer edge side of the first photodiode PD10, which is spaced apart from the first edge portion ED111 in which the first transfer transistor TG10-Tr is arranged.
第2のフォトダイオードPD11とフローティングディフュージョンFD10との間に第2の転送素子としての第2の転送トランジスタTG11-Trが接続され、第2のフォトダイオードPD11と所定の固定電位VAAPIXとの間に第2の電荷オーバーフローゲート素子としての第2のシャッタゲートトランジスタSG11-Trが接続されている。
そして、第2のシャッタゲートトランジスタSG11-Trは、図16に示すように、第2のフォトダイオードPD11において第2の転送トランジスタTG11-Trが配置された第1の縁部ED112とは離間した外縁側の第2の縁部ED212と接続するように配置されている。
A second transfer transistor TG11-Tr serving as a second transfer element is connected between the second photodiode PD11 and the floating diffusion FD10, and a second shutter gate transistor SG11-Tr serving as a second charge overflow gate element is connected between the second photodiode PD11 and a predetermined fixed potential VAAPIX.
As shown in FIG. 16, the second shutter gate transistor SG11-Tr is arranged so as to be connected to a second edge portion ED212 on the outer edge side of the second photodiode PD11, which is spaced apart from the first edge portion ED112 in which the second transfer transistor TG11-Tr is arranged.
第3のフォトダイオードPD12とフローティングディフュージョンFD10との間に第3の転送素子としての第3の転送トランジスタTG12-Trが接続され、第3のフォトダイオードPD12と所定の固定電位VAAPIXとの間に第3の電荷オーバーフローゲート素子としての第3のシャッタゲートトランジスタSG12-Trが接続されている。
そして、第3のシャッタゲートトランジスタSG12-Trは、図16に示すように、第3のフォトダイオードPD12において第3の転送トランジスタTG12-Trが配置された第1の縁部ED121とは離間した外縁側の第2の縁部ED221と接続するように配置されている。
A third transfer transistor TG12-Tr serving as a third transfer element is connected between the third photodiode PD12 and the floating diffusion FD10, and a third shutter gate transistor SG12-Tr serving as a third charge overflow gate element is connected between the third photodiode PD12 and a predetermined fixed potential VAAPIX.
As shown in FIG. 16, the third shutter gate transistor SG12-Tr is arranged so as to be connected to a second edge portion ED221 on the outer edge side of the third photodiode PD12, which is spaced apart from the first edge portion ED121 in which the third transfer transistor TG12-Tr is arranged.
第4のフォトダイオードPD13とフローティングディフュージョンFD10との間に第4の転送素子としての第4の転送トランジスタTG13-Trが接続され、第4のフォトダイオードPD13と所定の固定電位VAAPIXとの間に第4の電荷オーバーフローゲート素子としての第4のシャッタゲートトランジスタSG13-Trが接続されている。
そして、第4のシャッタゲートトランジスタSG13-Trは、図16に示すように、第4のフォトダイオードPD13において第4の転送トランジスタTG13-Trが配置された第1の縁部ED122とは離間した外縁側の第2の縁部ED222と接続するように配置されている。
A fourth transfer transistor TG13-Tr serving as a fourth transfer element is connected between the fourth photodiode PD13 and the floating diffusion FD10, and a fourth shutter gate transistor SG13-Tr serving as a fourth charge overflow gate element is connected between the fourth photodiode PD13 and a predetermined fixed potential VAAPIX.
As shown in FIG. 16, the fourth shutter gate transistor SG13-Tr is arranged so as to be connected to a second edge portion ED222 on the outer edge side of the fourth photodiode PD13, which is spaced apart from the first edge portion ED122 in which the fourth transfer transistor TG13-Tr is arranged.
上記したように、第1の電荷オーバーフローゲート素子としての第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Trは、第1のフォトダイオードPD10と所定の固定電位VAAPIXとの間が接続され、制御線を通じて印加される制御信号SG10により制御される。
第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Trは、制御信号SG10がHレベルの期間に選択されて導通状態となり、第1のフォトダイオードPD10と所定の固定電位VAAPIX間に、第1のフォトダイオードPD10で発生した電荷を排出するブルーミングパスを形成し(フローティングディフュージョンFD側に対してのアンチブルーミングパスを形成し)、不要な電荷を固定電位VAAPIXに放出させる。
As described above, the first shutter gate transistor SG10-Tr serving as the first charge overflow gate element is connected between the first photodiode PD10 and a predetermined fixed potential VAAPIX, and is controlled by a control signal SG10 applied through a control line.
The first shutter gate transistor SG10-Tr is selected and turned on during the period when the control signal SG10 is at H level, and forms a blooming path between the first photodiode PD10 and a predetermined fixed potential VAAPIX to discharge the charge generated in the first photodiode PD10 (forms an anti-blooming path toward the floating diffusion FD side), thereby discharging unnecessary charge to the fixed potential VAAPIX.
このように、第1の転送トランジスタTG10-Trと第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Trは、それぞれ個別のタイミングで駆動制御される。 In this way, the first transfer transistor TG10-Tr and the first shutter gate transistor SG10-Tr are driven and controlled at separate timings.
第1の転送トランジスタTG10-Trは、第1のフォトダイオードPD1はフローティングディフュージョンFD10に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号TG10より制御される。
第1の転送トランジスタTG10-Trは、制御信号TG10がハイ(H)レベルの転送期間PTに選択されて導通状態となり、第1のフォトダイオードPD10で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD10に転送する。
なお、第1のフォトダイオードPD10およびフローティングディフュージョンFD10が所定のリセット電位にリセットされた後、第1の転送トランジスタTG10-Trは、制御信号TG10がロー(L)レベルの非導通状態となり、第1のフォトダイオードPD10は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第1のシャッタゲートトランジスタSG10―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷として固定電位VAAPIXに溢れ出す。
The first transfer transistor TG10-Tr is connected to the first photodiode PD1 and the floating diffusion FD10, and is controlled by a control signal TG10 applied to the gate through a control line.
The first transfer transistor TG10-Tr is selected and turned on during the transfer period PT when the control signal TG10 is at a high (H) level, and transfers the charges (electrons) photoelectrically converted and accumulated in the first photodiode PD10 to the floating diffusion FD10.
After the first photodiode PD10 and the floating diffusion FD10 are reset to a predetermined reset potential, the first transfer transistor TG10-Tr becomes non-conductive with the control signal TG10 at a low (L) level, and the first photodiode PD10 enters the accumulation period PI. At this time, if the intensity (amount) of the incident light is extremely high, charges that exceed the saturation charge amount overflow into the fixed potential VAAPIX as overflow charges through the overflow path below the first shutter gate transistor SG10-Tr.
第2の電荷オーバーフローゲート素子としての第2のシャッタゲートトランジスタSG11-Trは、第2のフォトダイオードPD11と所定の固定電位VAAPIXとの間が接続され、制御線を通じて印加される制御信号SG11により制御される。
第2のシャッタゲートトランジスタSG11-Trは、制御信号SG11がHレベルの期間に選択されて導通状態となり、第2のフォトダイオードPD11と所定の固定電位VAAPIX間に、第2のフォトダイオードPD11で発生した電荷を排出するブルーミングパスを形成し(フローティングディフュージョンFD側に対してのアンチブルーミングパスを形成し)、不要な電荷を固定電位VAAPIXに放出させる。
The second shutter gate transistor SG11-Tr serving as a second charge overflow gate element is connected between the second photodiode PD11 and a predetermined fixed potential VAAPIX, and is controlled by a control signal SG11 applied through a control line.
The second shutter gate transistor SG11-Tr is selected and turned on during the period when the control signal SG11 is at H level, and forms a blooming path between the second photodiode PD11 and a predetermined fixed potential VAAPIX to discharge the charge generated in the second photodiode PD11 (forms an anti-blooming path toward the floating diffusion FD side), thereby discharging unnecessary charge to the fixed potential VAAPIX.
このように、第2の転送トランジスタTG11-Trと第2のシャッタゲートトランジスタSG11-Trは、それぞれ個別のタイミングで駆動制御される。
なお、第2のフォトダイオードPD11およびフローティングディフュージョンFD10が所定のリセット電位にリセットされた後、第2の転送トランジスタTG11-Trは、制御信号TG11がロー(L)レベルの非導通状態となり、第2のフォトダイオードPD11は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第2のシャッタゲートトランジスタSG11―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷として固定電位VAAPIXに溢れ出す。
In this manner, the second transfer transistor TG11-Tr and the second shutter gate transistor SG11-Tr are driven and controlled at separate timings.
After the second photodiode PD11 and the floating diffusion FD10 are reset to a predetermined reset potential, the second transfer transistor TG11-Tr becomes non-conductive with the control signal TG11 at the low (L) level, and the second photodiode PD11 enters the accumulation period PI. At this time, if the intensity (amount) of the incident light is extremely high, charges that exceed the saturation charge amount overflow into the fixed potential VAAPIX as overflow charges through the overflow path below the second shutter gate transistor SG11-Tr.
第3の電荷オーバーフローゲート素子としての第3のシャッタゲートトランジスタSG12-Trは、第3のフォトダイオードPD12と所定の固定電位VAAPIXとの間が接続され、制御線を通じて印加される制御信号SG12により制御される。
第3のシャッタゲートトランジスタSG12-Trは、制御信号SG12がHレベルの期間に選択されて導通状態となり、第3のフォトダイオードPD12と所定の固定電位VAAPIX間に、第3のフォトダイオードPD12で発生した電荷を排出するブルーミングパスを形成し(フローティングディフュージョンFD側に対してのアンチブルーミングパスを形成し)、不要な電荷を固定電位VAAPIXに放出させる。
The third shutter gate transistor SG12-Tr serving as a third charge overflow gate element is connected between the third photodiode PD12 and a predetermined fixed potential VAAPIX, and is controlled by a control signal SG12 applied through a control line.
The third shutter gate transistor SG12-Tr is selected and turned on during the period when the control signal SG12 is at H level, and forms a blooming path between the third photodiode PD12 and a predetermined fixed potential VAAPIX for discharging the charge generated in the third photodiode PD12 (forms an anti-blooming path toward the floating diffusion FD side), thereby discharging unnecessary charge to the fixed potential VAAPIX.
このように、第3の転送トランジスタTG12-Trと第3のシャッタゲートトランジスタSG12-Trは、それぞれ個別のタイミングで駆動制御される。
なお、第3のフォトダイオードPD12およびフローティングディフュージョンFD10が所定のリセット電位にリセットされた後、第3の転送トランジスタTG12-Trは、制御信号TG12がロー(L)レベルの非導通状態となり、第3のフォトダイオードPD12は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第3のシャッタゲートトランジスタSG12―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷として固定電位VAAPIXに溢れ出す。
In this manner, the third transfer transistor TG12-Tr and the third shutter gate transistor SG12-Tr are driven and controlled at separate timings.
After the third photodiode PD12 and the floating diffusion FD10 are reset to a predetermined reset potential, the third transfer transistor TG12-Tr becomes non-conductive with the control signal TG12 at a low (L) level, and the third photodiode PD12 enters the accumulation period PI. At this time, if the intensity (amount) of the incident light is extremely high, charges that exceed the saturation charge amount overflow into the fixed potential VAAPIX as overflow charges through the overflow path below the third shutter gate transistor SG12-Tr.
第4の電荷オーバーフローゲート素子としての第4のシャッタゲートトランジスタSG13-Trは、第4のフォトダイオードPD13と所定の固定電位VAAPIXとの間が接続され、制御線を通じて印加される制御信号SG13により制御される。
第4のシャッタゲートトランジスタSG13-Trは、制御信号SG13がHレベルの期間に選択されて導通状態となり、第4のフォトダイオードPD13と所定の固定電位VAAPIX間に、第4のフォトダイオードPD13で発生した電荷を排出するブルーミングパスを形成し(フローティングディフュージョンFD側に対してのアンチブルーミングパスを形成し)、不要な電荷を固定電位VAAPIXに放出させる。
The fourth shutter gate transistor SG13-Tr serving as a fourth charge overflow gate element is connected between the fourth photodiode PD13 and a predetermined fixed potential VAAPIX, and is controlled by a control signal SG13 applied through a control line.
The fourth shutter gate transistor SG13-Tr is selected and turned on during the period when the control signal SG13 is at H level, and forms a blooming path between the fourth photodiode PD13 and a predetermined fixed potential VAAPIX to discharge the charge generated in the fourth photodiode PD13 (forms an anti-blooming path toward the floating diffusion FD side), thereby discharging unnecessary charge to the fixed potential VAAPIX.
このように、第4の転送トランジスタTG13-Trと第4のシャッタゲートトランジスタSG13-Trは、それぞれ個別のタイミングで駆動制御される。
なお、第4のフォトダイオードPD13およびフローティングディフュージョンFD10が所定のリセット電位にリセットされた後、第4の転送トランジスタTG13-Trは、制御信号TG13がロー(L)レベルの非導通状態となり、第4のフォトダイオードPD12は蓄積期間PIとなるが、このとき、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第4のシャッタゲートトランジスタSG13―Tr下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷として固定電位VAAPIXに溢れ出す。
In this manner, the fourth transfer transistor TG13-Tr and the fourth shutter gate transistor SG13-Tr are driven and controlled at individual timings.
After the fourth photodiode PD13 and the floating diffusion FD10 are reset to a predetermined reset potential, the fourth transfer transistor TG13-Tr becomes non-conductive with the control signal TG13 at a low (L) level, and the fourth photodiode PD12 enters the accumulation period PI. At this time, if the intensity (amount) of the incident light is extremely high, charges that exceed the saturation charge amount overflow into the fixed potential VAAPIX as overflow charges through the overflow path below the fourth shutter gate transistor SG13-Tr.
また、第1の電荷オーバーフローゲート素子としての第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Tr、第2の電荷オーバーフロー素子としての第2のシャッタゲートトランジスタSG11-Tr、第3の電荷オーバーフロー素子としての第3のシャッタゲートトランジスタSG12-Tr、および第4の電荷オーバーフロー素子としての第4のシャッタゲートトランジスタSG13-Trは、それぞれ個別にしきい値が調整されていてもよい。 The first shutter gate transistor SG10-Tr as the first charge overflow gate element, the second shutter gate transistor SG11-Tr as the second charge overflow element, the third shutter gate transistor SG12-Tr as the third charge overflow element, and the fourth shutter gate transistor SG13-Tr as the fourth charge overflow element may each have an individually adjusted threshold.
図17は、本発明の第2の実施形態に係る共有画素の主要部であるシャッタゲートトランジスタを有する電荷蓄積転送系の構成例を示す簡略断面図である。 Figure 17 is a simplified cross-sectional view showing an example of the configuration of a charge accumulation and transfer system having a shutter gate transistor, which is a main part of a shared pixel according to the second embodiment of the present invention.
図17の構成が図9の構成と異なる点は、シャッタゲートトランジスタの構成を有している点にある。 The configuration in Figure 17 differs from the configuration in Figure 9 in that it has a shutter gate transistor configuration.
(X方向(列方向)における分離層の構成)
図17のX方向(列方向)右側におけるp型分離層2104(SPL1)の第2の基板面1102側にはフローティングディフュージョンFDとなるn+層2105が形成されている。
図17のX方向(列方向)左側におけるp型分離層2106(SPL2)の第2の基板面1102側にはシャッタゲートトランジスタTSG0-Trのドレインとなるとなるn+層2108が形成されている。
そして、第2基板面1102側のエピタキシャル層(p-epi)2101R上に、ゲート絶縁膜を介して第1の転送トランジスタTG0-Trのゲート電極2107が形成されている。
第1の転送トランジスタTG10-Tr下には第1のフォトダイオードPD10からフローティングディフュージョンFD10にいたるオーバーフローパスOVPが形成される。
なお、オーバーフローパスOVPの電位は、たとえばゲート制御により行うことも可能である。
(Configuration of Separation Layer in X-Direction (Column Direction))
An
An
A
An overflow path OVP extending from the first photodiode PD10 to the floating diffusion FD10 is formed below the first transfer transistor TG10-Tr.
The potential of the overflow path OVP can also be controlled by gate control, for example.
一方、第2基板面1102側のエピタキシャル層(p-epi)2101L上に、ゲート絶縁膜を介して第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Trのゲート電極2109が形成されている。
第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Tr下にはフォトダイオードPD10からn+層2108にいたる、第1のフォトダイオードPD10で発生した電荷を排出するブルーミングパスEFPが形成される(フローティングディフュージョンFD側に対してのアンチブルーミングパスが形成される)。
On the other hand, a
A blooming path EFP that discharges charges generated in the first photodiode PD10 from the photodiode PD10 to the
このような構造において、入射する光の強度(量)が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第1の転送トランジスタTG10―Tr下のオーバーフローパスOVPを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンFDに溢れ出す。 In such a structure, when the intensity (amount) of incident light is very high, charge that exceeds the saturation charge amount overflows into the floating diffusion FD as overflow charge through the overflow path OVP below the first transfer transistor TG10-Tr.
また、AD変換時等の比較処理中に、たとえば不規則な強い光が第1のフォトダイオードPD10に入射すると、フォトダイオードPD10からフローティングディフュージョンFD10に電荷がオーバーフローして出力ノードであるフローティングディフュージョンFD10のレベルが変動してしまい、正常なAD変換処理を実現できないおそれがある。
そこで、本実施形態においては、たとえば比較処理中に不規則な強い光が第1のフォトダイオードPD10に入射したとしても、第1のフォトダイオードPD10から不要な電荷をフローティングディフュージョンFD10領域外に放出し、第1のフォトダイオードPD10からフローティングディフュージョンFD10に電荷がオーバーフローしてFDレベルが変動することを防止する第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Trを有している。
これにより、AD変換時等の比較処理中に、不規則な強い光が第1のフォトダイオードPD10に入射したとしてもFDレベルが変動することを防止し、正常なAD変換処理を実現可能に構成されている。
なお、残りのフォトダイオードPD11,PD12,PD13についても同様である。
Furthermore, if, for example, irregular strong light is incident on the first photodiode PD10 during comparison processing such as AD conversion, charge will overflow from the photodiode PD10 to the floating diffusion FD10, causing the level of the floating diffusion FD10, which is the output node, to fluctuate, which may make it impossible to achieve normal AD conversion processing.
Therefore, in this embodiment, even if irregular strong light is incident on the first photodiode PD10 during the comparison process, for example, a first shutter gate transistor SG10-Tr is provided which discharges unnecessary charges from the first photodiode PD10 to outside the floating diffusion FD10 region, thereby preventing charges from overflowing from the first photodiode PD10 to the floating diffusion FD10 and causing the FD level to fluctuate.
This prevents the FD level from fluctuating even if irregular strong light is incident on the first photodiode PD10 during comparison processing such as AD conversion, making it possible to achieve normal AD conversion processing.
The same applies to the remaining photodiodes PD11, PD12, and PD13.
以上のように、本第2の実施形態によれば、各フォトダイオードPD10,PD11,PD12,PD13の各蓄積部と電源電圧VAAPIXの電源線Vaapixとの間に接続され、フォトダイオードPDから電荷を、フローティングディフュージョン領域方向またはフローティングディフュージョン領域外方向にオーバーフローさせることが可能な複数の電荷オーバーフローゲート素子としてのシャッタゲートトランジスタSG10-Tr,SG11-Tr,SG12-Tr,SG13-Trを有している。
したがって、本第2の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、以下の効果を得ることができる。
As described above, according to the second embodiment, the device has shutter gate transistors SG10-Tr, SG11-Tr, SG12-Tr, and SG13-Tr that are connected between each storage section of each photodiode PD10, PD11, PD12, and PD13 and the power supply line Vaapix of the power supply voltage VAAPIX, and serve as a plurality of charge overflow gate elements that can cause charge to overflow from the photodiode PD toward the floating diffusion region or toward the outside of the floating diffusion region.
Therefore, according to the second embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment described above, the following effects can be obtained.
すなわち、本第2の実施形態によれば、所定のフォトダイオードPDの蓄積電荷を超えた信号(オーバーフロー電荷)が隣接画素へ流れ込み、電荷の混合(偽信号となる)が起きることを防止することができる。 In other words, according to the second embodiment, it is possible to prevent a signal (overflow charge) that exceeds the accumulated charge of a given photodiode PD from flowing into an adjacent pixel and causing charge mixing (resulting in a false signal).
(第3の実施形態)
図18は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の共有画素の一例を示す回路図である。
図19は、本第3の実施形態に係る共有画素の4つのフォトダイオード、転送トランジスタ、並びに、1つのフローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、および選択トランジスタの配置例を示す簡略平面図である。
Third Embodiment
FIG. 18 is a circuit diagram showing an example of a shared pixel of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a simplified plan view showing an example of the arrangement of four photodiodes, a transfer transistor, one floating diffusion FD, a reset transistor, a source follower transistor, and a selection transistor of a shared pixel according to the third embodiment.
本第3の実施形態に係る固体撮像装置10Bの共有画素PXL20Bは、第1および第2の実施形態に係る固体撮像装置10,10AによりフローティングディフュージョンFD10の容量を小さくできるようになったことに伴い構成が容易となった、デュアルゲイン(Dual Gain)構成が実現されている。
本第3の実施形態に係る固体撮像装置10Bの共有画素PXL20Bが上述した第2の実施形態に係る固体撮像装置10Aの共有画素PXL20Aと異なる点は、次の通りである。
The shared pixel PXL20B of the solid-state imaging device 10B according to the third embodiment realizes a dual gain configuration, which is easier to configure as a result of the solid-
The shared pixel PXL20B of the solid-state imaging device 10B according to the third embodiment differs from the shared pixel PXL20A of the solid-state imaging device 10A according to the second embodiment described above in the following respects.
本第3の実施形態の共有画素PXL20Bは、出力バッファ部としてのソースフォロワトランジスタSF10-Trの変換利得を切り換える利得切換部210が配置されている。
利得切換部210は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD10の電荷量を第1容量または第2容量に変更して出力バッファ部としてのソースフォロワトランジスタSF10-Trの変換利得を、第1容量で決まる第1変換利得(たとえば高変換利得:HCG)または第2容量で決まる第2変換利得(たとえば低変換利得:LCG)に切り換え可能に構成されている。なお、本第3の実施形態においては、いわゆる2回読み出しで読み出す電荷量に応じて第1変換利得と第2変換利得を使い分ける。
The shared pixel PXL20B of the third embodiment is provided with a
The
利得切換部210は、フローティングディフュージョンFD10に接続された蓄積素子としての蓄積トランジスタBIN10-Trと、蓄積トランジスタBIN10-Trを介してフローティングディフュージョンFD10の電荷を蓄積する蓄積容量素子としての蓄積キャパシタCS1と、を含んで構成されている。
The
蓄積トランジスタBIN10―Trは、フローティングディフュージョンFD10とリセットトランジスタRST10―Trとの間に接続され、その接続ノードND12と基準電位VSSとの間に蓄積キャパシタCSが接続されている。
蓄積トランジスタBIN10-Trは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号BIN10により制御される。
蓄積トランジスタBIN10-Trは、制御信号BIN10がHレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFD10と蓄積キャパシタCS1とを接続する。
The storage transistor BIN10-Tr is connected between the floating diffusion FD10 and the reset transistor RST10-Tr, and a storage capacitor CS is connected between a connection node ND12 thereof and the reference potential VSS.
The storage transistor BIN10-Tr is controlled by a control signal BIN10 applied to its gate through a control line.
The storage transistor BIN10-Tr is selected during the reset period when the control signal BIN10 is at H level and is turned on, connecting the floating diffusion FD10 and the storage capacitor CS1.
そして、本第3の実施形態では、蓄積トランジスタBIN10-Trは、図19に示すように、素子形成領域の中央領域CTAR20において、フローティングディフュージョンFD10とリセットトランジスタRST10-Trとの間に配置されている。 In the third embodiment, the storage transistor BIN10-Tr is disposed between the floating diffusion FD10 and the reset transistor RST10-Tr in the central region CTAR20 of the element formation region, as shown in FIG. 19.
本第3の実施形態において、利得変換を伴う読み出し処理は次のように実行される。
第1変換利得読み出し処理HCGSRD時には、蓄積トランジスタBIN10-Trは非導通状態に保持され、出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFD10の電荷と蓄積キャパシタCSの電荷を分離させて読み出し処理が実行される。
第1変換利得リセット読み出し処理HCGRRD時には、蓄積トランジスタBIN10-Trは非導通状態に保持され、出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFD10の電荷と蓄積キャパシタCSの電荷を分離させて読み出し処理が実行される。
第2変換利得読み出し処理LCGSRD時には、蓄積トランジスタBIN10-Trは導通状態に保持され、出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFD10の電荷と蓄積キャパシタCSの電荷を共有させて読み出し処理が実行される。
第2変換利得リセット読み出し処理LCGRRD時には、リセットトランジスタRST120-Trおよび蓄積トランジスタBIN10-Trが導通状態に保持され、出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFD10の電荷と蓄積キャパシタCSの電荷をクリアさせて読み出し処理が実行される。
In the third embodiment, the readout process involving gain conversion is performed as follows.
During the first conversion gain read process HCGSRD, the storage transistor BIN10-Tr is held in a non-conductive state, and the charge of the floating diffusion FD10, which is the output node ND10, and the charge of the storage capacitor CS are separated to execute the read process.
During the first conversion gain reset read process HCGRRD, the storage transistor BIN10-Tr is held in a non-conductive state, and the charge of the floating diffusion FD10, which is the output node ND10, and the charge of the storage capacitor CS are separated to execute the read process.
During the second conversion gain read process LCGSRD, the storage transistor BIN10-Tr is held in a conductive state, and the read process is executed by sharing the charge of the floating diffusion FD10, which is the output node ND10, and the charge of the storage capacitor CS.
During the second conversion gain reset read process LCGRRD, the reset transistor RST120-Tr and the storage transistor BIN10-Tr are held in a conductive state, and the charge of the floating diffusion FD10, which is the output node ND10, and the charge of the storage capacitor CS are cleared to execute the read process.
このように、本第3の実施形態においては、蓄積トランジスタBIN10-Trおよび蓄積キャパシタCSを有し、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD10の電荷量を第1容量または第2容量に変更して出力バッファ部としてのソースフォロワトランジスタSF10-Trの変換利得を、第1容量で決まる第1変換利得(たとえば高変換利得:HCG)または第2容量で決まる第2変換利得(たとえば低変換利得:LCG)に切り換え可能な利得切換部210を配置した。
これにより、高変換利得(HCG)時にはFWC(Full Well Capacity)が小さくなり、低変換利得(LCG)時にはFWCは大きくなる。
In this manner, in the third embodiment, a
As a result, the full well capacity (FWC) is small during high conversion gain (HCG), and the full well capacity (FWC) is large during low conversion gain (LCG).
ここで、本第3の実施形態に係る固体撮像装置における共有画素に対する読み出しシーケンスの一例について説明する。 Here, we will explain an example of a readout sequence for a shared pixel in a solid-state imaging device according to the third embodiment.
図20(A)~(J)は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置における共有画素に対する読み出しモードによる読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。 Figures 20(A) to (J) are timing charts for explaining an example of a readout sequence in a readout mode for a shared pixel in a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention.
図20(A)は読み出しモードによるアクセス対象である第1の転送トランジスタTG10-Trの制御信号TG10を、図20(B)は第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Trの制御信号SG10を、図20(C)は読み出しモードによるアクセス対象である第2の転送トランジスタTG11-Trの制御信号TG11を、図20(D)は第2のシャッタゲートトランジスタSG11-Trの制御信号SG11を、図20(E)は読み出しモードによるアクセス対象である第3の転送トランジスタTG12-Trの制御信号TG12を、図20(F)は第3のシャッタゲートトランジスタSG12-Trの制御信号SG12を、図20(G)は読み出しモードによるアクセス対象である第4の転送トランジスタTG13-Trの制御信号TG13を、図20(H)は第4のシャッタゲートトランジスタSG13-Trの制御信号SG13を、図20(I)は蓄積トランジスタBIN10-Trの制御信号BIN10を、図20(J)はリセットトランジスタRST10-Trの制御信号RST10をそれぞれ示している。 Figure 20 (A) shows the control signal TG10 of the first transfer transistor TG10-Tr, which is the object of access in the read mode, Figure 20 (B) shows the control signal SG10 of the first shutter gate transistor SG10-Tr, Figure 20 (C) shows the control signal TG11 of the second transfer transistor TG11-Tr, which is the object of access in the read mode, Figure 20 (D) shows the control signal SG11 of the second shutter gate transistor SG11-Tr, and Figure 20 (E) shows the control signal TG12 of the third transfer transistor TG12, which is the object of access in the read mode. -Tr control signal TG12, Figure 20 (F) shows the control signal SG12 of the third shutter gate transistor SG12-Tr, Figure 20 (G) shows the control signal TG13 of the fourth transfer transistor TG13-Tr that is the access target in the read mode, Figure 20 (H) shows the control signal SG13 of the fourth shutter gate transistor SG13-Tr, Figure 20 (I) shows the control signal BIN10 of the storage transistor BIN10-Tr, and Figure 20 (J) shows the control signal RST10 of the reset transistor RST10-Tr.
読み出しモードRMD時には、制御信号TG10,TG11,TG12,TG13をローレベルに設定して転送トランジスタTG10-Tr,TG11-Tr,TG12-Tr,TG13-Trを非導通状態に保持し、制御信号SG10,SG11,SG12,SG13をハイレベルからローレベルに切り替えてシャッタゲートトランジスタSG10-Tr,SG11-Tr,SG12-Tr,SG13-Trを導通状態から非導通状態に切り替える。
このシャッタゲートトランジスタSG10-Tr,SG11-Tr,SG12-Tr,SG13-Trが導通状態から非導通状態に切り替えられたタイミングで露光時間が開始される。
また、制御信号RST10を所定期間ハイレベルに設定してリセットトランジスタRST10-Trを導通状態に保持し、かつ、制御信号BIN10を所定期間ハイレベルに設定して蓄積トランジスタBIN10-Trを導通状態に保持してリセット期間RPにおける出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFD10のリセット状態を維持する。
In the read mode RMD, the control signals TG10, TG11, TG12, and TG13 are set to a low level to hold the transfer transistors TG10-Tr, TG11-Tr, TG12-Tr, and TG13-Tr in a non-conductive state, and the control signals SG10, SG11, SG12, and SG13 are switched from a high level to a low level to switch the shutter gate transistors SG10-Tr, SG11-Tr, SG12-Tr, and SG13-Tr from a conductive state to a non-conductive state.
The exposure time starts at the timing when the shutter gate transistors SG10-Tr, SG11-Tr, SG12-Tr, and SG13-Tr are switched from the conductive state to the non-conductive state.
In addition, the control signal RST10 is set to a high level for a predetermined period to hold the reset transistor RST10-Tr in a conductive state, and the control signal BIN10 is set to a high level for a predetermined period to hold the storage transistor BIN10-Tr in a conductive state, thereby maintaining the reset state of the floating diffusion FD10, which is the output node ND10 during the reset period RP.
ここで、まず第1のフォトダイオードPD10の蓄積電荷に対する読み出しが行われる。
この場合、制御信号RST10および制御信号BIN10をハイレベルに設定して出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFD10をリセットする。
そして、制御信号BIN10をハイレベルに所定期間維持して蓄積トランジスタBIN10-Trを導通状態に保持して出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFD10の電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタCSの電荷を共有させて、フローティングディフュージョンFD10の電荷量を第2容量に保持させる。これにより、第2変換利得リセット読み出し処理LCGRRDが実行可能となる。
このような状態で、リセット期間PR後のリセット読み出し期間PRRDに、出力バッファとしてのソースフォロワトランジスタSF10-Trから出力ノードND10としてのフローティングディフュージョンFD10の第2容量で決まる第2変換利得で変換した読み出しリセット信号LCGVRSTを読み出し、この読み出しリセット信号LCGVRSTに対する処理を行う第2変換利得リセット読み出し処理LCGRRDを行う。
First, the charge stored in the first photodiode PD10 is read out.
In this case, the control signal RST10 and the control signal BIN10 are set to a high level to reset the floating diffusion FD10 which is the output node ND10.
Then, the control signal BIN10 is maintained at a high level for a predetermined period of time to hold the storage transistor BIN10-Tr in a conductive state, and the charge of the floating diffusion FD10 which is the output node ND10 is shared with the charge of the storage capacitor CS which is a storage capacitance element, and the amount of charge of the floating diffusion FD10 is held in the second capacitance. This makes it possible to execute the second conversion gain reset read process LCGRRD.
In this state, during the reset read period PRRD after the reset period PR, a read reset signal LCGVRST converted with a second conversion gain determined by the second capacitance of the floating diffusion FD10 as the output node ND10 is read out from the source follower transistor SF10-Tr as an output buffer, and a second conversion gain reset read process LCGRRD is performed to process this read reset signal LCGVRST.
次いで、制御信号BIN10をローレベルに切り替えて、蓄積トランジスタBIN10-Trを非導通状態に保持して出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFDの電荷10と蓄積容量素子である蓄積キャパシタCSの電荷を分離させて、フローティングディフュージョンFD10の電荷量を第1容量に保持させる。これにより、第1変換利得リセット読み出し処理HCGRRDが実行可能となる。
このような状態で、リセット期間PR後のさらなるリセット読み出し期間PRRDに、出力バッファとしてのソースフォロワトランジスタSF10-Trから出力ノードND10としてのフローティングディフュージョンFD10の第1容量で決まる第1変換利得(高変換利得:HCG)で変換した読み出しリセット信号HCGVRSTを読み出し、この読み出しリセット信号HCGVRSTに対する処理を行う第1変換利得リセット読み出し処理HCGRRDを行う。
Next, the control signal BIN10 is switched to a low level, the storage transistor BIN10-Tr is held in a non-conductive state, and the
In this state, during a further reset read period PRRD following the reset period PR, a read reset signal HCGVRST converted with a first conversion gain (high conversion gain: HCG) determined by the first capacitance of the floating diffusion FD10 as the output node ND10 is read out from the source follower transistor SF10-Tr as an output buffer, and a first conversion gain reset read process HCGRRD is performed to process this read reset signal HCGVRST.
さらに、リセット読み出し期間PPRD後に制御信号TG10を所定期間ハイレベルに設定し、この第1の転送期間PT1にフォトダイオードPD10の蓄積電荷をフローティングディフュージョンFD10に転送させる。
そして、第1の転送期間PT1に続く第1の読み出し期間PRD1に、出力バッファとしてのソースフォロワトランジスタSF10-Trから出力ノードND10としてのフローティングディフュージョンFD10の第1容量で決まる第1変換利得で変換した読み出し信号HCGVSIGを読み出し、この読み出し信号HCGVSIGに対する処理を行う第1変換利得読み出し処理HCGSRDを行う。
Furthermore, after the reset readout period PPRD, the control signal TG10 is set to a high level for a predetermined period, and the charge stored in the photodiode PD10 is transferred to the floating diffusion FD10 during this first transfer period PT1.
Then, during a first read period PRD1 following the first transfer period PT1, a read signal HCGVSIG converted with a first conversion gain determined by the first capacitance of the floating diffusion FD10 serving as the output node ND10 is read out from the source follower transistor SF10-Tr serving as an output buffer, and a first conversion gain read process HCGSRD is performed to process this read signal HCGVSIG.
さらに、第1の読み出し期間PRD1後に制御信号BIN10をハイレベルに切り替えて、蓄積トランジスタBIN10-Trを導通状態に保持して出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFD10の電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタCSの電荷を共有させて、フローティングディフュージョンFD10の電荷量を第2容量に保持させる。これにより、第2変換利得リセット読み出し処理LCGRRDが実行可能となる。
この状態で、第1の読み出し期間PRD1後に制御信号TG0を所定期間ハイレベルに設定し、この第2の転送期間PT2にフォトダイオードPD10の蓄積電荷をフローティングディフュージョンFD10に転送させる。
そして、第2の転送期間PT2後に、制御信号SG10をハイレベルに切り替えて第1のシャッタゲートトランジスタSG10-Trを導通状態に保持し、続く第2の読み出し期間PRD2に、出力バッファとしてのソースフォロワトランジスタSF10-Trから出力ノードND10としてのフローティングディフュージョンFD10の第2容量で決まる第2変換利得で変換した読み出し信号LCGVSIGを読み出し、この読み出し信号LCGVSIGに対する処理を行う第2変換利得読み出し処理LCGSRDを行う。
Furthermore, after the first read period PRD1, the control signal BIN10 is switched to a high level, the storage transistor BIN10-Tr is held in a conductive state, the charge of the floating diffusion FD10 which is the output node ND10 is shared with the charge of the storage capacitor CS which is a storage capacitance element, and the amount of charge of the floating diffusion FD10 is held in the second capacitance. This makes it possible to execute the second conversion gain reset read process LCGRRD.
In this state, after the first readout period PRD1, the control signal TG0 is set to a high level for a predetermined period, and the accumulated charge in the photodiode PD10 is transferred to the floating diffusion FD10 during the second transfer period PT2.
Then, after the second transfer period PT2, the control signal SG10 is switched to a high level to hold the first shutter gate transistor SG10-Tr in a conductive state, and during the subsequent second readout period PRD2, a readout signal LCGVSIG converted with a second conversion gain determined by the second capacitance of the floating diffusion FD10 as the output node ND10 is read out from the source follower transistor SF10-Tr as an output buffer, and a second conversion gain readout process LCGSRD is performed to process this readout signal LCGVSIG.
このようにして、第1のフォトダイオードPD10の蓄積電荷に対する読み出し処理が終了すると、引き続き第2のフォトダイオードPD11の蓄積電荷に対する読み出し処理が行われる。
この場合、制御信号BIN10をハイレベルに保持した状態で、制御信号RST10を所定期間ハイレベルに設定してリセットトランジスタRST10-Trを導通状態に保持し、リセット期間PRにおける出力ノードND10であるフローティングディフュージョンFD10のリセット状態を維持する。
以下、上述した第1のフォトダイオードPD10の蓄積電荷に対する処理と同様の処理が、第2のフォトダイオードPD11の蓄積電荷、第3のフォトダイオードPD12、および第4のフォトダイオードPD13の蓄積電荷に対する処理がシーケンシャルに行われる。
したがって、ここではその詳細な説明は省略する。
In this way, when the readout process for the accumulated charge in the first photodiode PD10 is completed, the readout process for the accumulated charge in the second photodiode PD11 is subsequently carried out.
In this case, with the control signal BIN10 held at a high level, the control signal RST10 is set to a high level for a predetermined period to hold the reset transistor RST10-Tr in a conductive state, and the reset state of the floating diffusion FD10, which is the output node ND10 during the reset period PR, is maintained.
Thereafter, the same process as that for the accumulated charge in the first photodiode PD10 described above is sequentially performed on the accumulated charges in the second photodiode PD11, the third photodiode PD12, and the fourth photodiode PD13.
Therefore, a detailed description thereof will be omitted here.
この第3の実施形態によれば、小さな画素サイズで所定の読み出しモードによりダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
また、本第3の実施形態によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能となる。
According to the third embodiment, it is possible to expand the dynamic range with a small pixel size by using a predetermined readout mode.
Moreover, according to the third embodiment, it is possible to realize a substantially wide dynamic range and a high frame rate, while also achieving low noise and maximizing the effective pixel area, thereby maximizing value per cost.
(第4の実施形態)
図21は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置10Cの共有画素の構成例を示す回路図である。
Fourth Embodiment
FIG. 21 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a shared pixel in a solid-state imaging device 10C according to the fourth embodiment of the present invention.
本第4の実施形態において、固体撮像装置10Cは、画素部20Cにおいて、単位画素PXLCとして光電変換読み出し部220および信号保持部230を含み、グローバルシャッタの動作機能を持ち、かつ実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することを可能とする、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。
In this fourth embodiment, the solid-state imaging device 10C includes a photoelectric conversion readout section 220 and a signal holding section 230 as unit pixels PXLC in the
このような積層構造において、第1の基板110の画素アレイの各光電変換読み出し部220の読み出しノードND11と第2の基板120の各共有画素PXL20Cの信号保持部230の入力ノードND20とが、たとえば図21に示すように、それぞれビアマイクロバンプBMPや(Die-to-Die Via)等を用いて電気的な接続が行われている。
In such a stacked structure, the read node ND11 of each photoelectric conversion readout unit 220 of the pixel array of the
本第4の実施形態に係る固体撮像装置10Cにおいて、後で詳述するように、画素信号ストレージとしての信号保持部に、電圧モードで、画素信号を全画素で同時並列的にサンプリングし、第1~第8の信号保持キャパシタに保持された読み出し信号に対応する変換信号を所定の信号線に読み出すとともに、読み出しリセット信号に対応する変換信号を所定の信号線に同時並列的に読み出し、カラム読み出し回路40に供給する。
In the solid-state imaging device 10C according to the fourth embodiment, as described in detail later, the pixel signals are sampled simultaneously and in parallel for all pixels in a voltage mode in a signal holding section serving as pixel signal storage, and conversion signals corresponding to the readout signals held in the first to eighth signal holding capacitors are read out to a specified signal line, and a conversion signal corresponding to the readout reset signal is read out simultaneously and in parallel to a specified signal line and supplied to the
以下、固体撮像装置10Cの画素部20Cの構成および機能について説明する。
The configuration and function of
(単位画素PXLC並びに画素部20Cの構成)
画素部20Cに配置される共有画素PXL20Cは、図21に示すように、光電変換読み出し部220および信号保持部230を含んで構成されている。
本第4の実施形態の画素部20Cは、第1の基板110と第2の基板120の積層型のCMOSイメージセンサとして構成されるが、本例では、図21に示すように、第1の基板110に光電変換読み出し部220が形成され、第2の基板120に信号保持部230が形成されている。
(Configuration of unit pixel PXLC and
As shown in FIG. 21, the shared pixel PXL20C arranged in the
The
光電変換読み出し部220は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含んで構成される。
図21の例では、光電変換読み出し部220は、一例として図18の本第3の実施形態に係る共有画素PXL20Bの変形例が採用されている。
The photoelectric conversion readout unit 220 includes a photodiode (photoelectric conversion element) and an in-pixel amplifier.
In the example of FIG. 21, the photoelectric conversion readout section 220 employs, as an example, a modified example of the shared pixel PXL20B according to the third embodiment of FIG.
具体的には、この光電変換読み出し部220は、図18の共有画素PXL20Bと異なる点は次の通りである。
本光電変換読み出し部220では、ソースフォロワトランジスタSF10-Tr、カレントトランジスタIC10-Tr、および読み出しノードND11を含んで出力バッファ部221が構成されている。
すなわち、光電変換読み出し部220は、図18の共有画素PXL20Bの選択トランジスタSEL10-Trの代わりに、カレントトランジスタIC10-Trが設けられている。
読み出しノードND11と基準電位VSS(たとえばGND)の間に電流源素子としてのカレントトランジスタIC10-Trのドレイン、ソースが接続されている。カレントトランジスタIC10-Trのゲートは制御信号VBNPIXの供給ラインに接続されている。
そして、読み出しノードND11と信号保持部230の入力部間の信号線LSGN10は、電流源素子としてのカレントトランジスタIC10-Trにより駆動される。
Specifically, the photoelectric conversion readout unit 220 differs from the shared pixel PXL20B in FIG. 18 in the following respects.
In the present photoelectric conversion readout section 220, an
That is, in the photoelectric conversion readout section 220, a current transistor IC10-Tr is provided in place of the selection transistor SEL10-Tr of the shared pixel PXL20B in FIG.
The drain and source of a current transistor IC10-Tr serving as a current source element are connected between the read node ND11 and a reference potential VSS (for example, GND). The gate of the current transistor IC10-Tr is connected to a supply line of a control signal VBNPIX.
A signal line LSGN10 between the read node ND11 and the input of the signal holding section 230 is driven by a current transistor IC10-Tr as a current source element.
本第4の実施形態に係る光電変換読み出し部220は、出力バッファ部221の読み出しノードND11が信号保持部230の入力部に接続されている。
光電変換読み出し部220は、出力ノードND10としてのフローティングディフュージョンFD10の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号VSLを信号保持部230に出力する。
In the photoelectric conversion readout section 220 according to the fourth embodiment, a readout node ND 11 of an
The photoelectric conversion readout section 220 converts the charge of the floating
さらに、光電変換読み出し部220は、蓄積期間PI後の転送期間PTに出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD10に転送されたフォトダイオードPD10、PD11、PD12、PD14の蓄積電荷に応じた電圧信号VSLを出力する。
光電変換読み出し部220は、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)(VRST)および読み出し信号(信号電圧)(VSIG)を信号保持部230に出力する。
Furthermore, the photoelectric conversion readout section 220 outputs a voltage signal VSL according to the accumulated charges of the photodiodes PD10, PD11, PD12, and PD14 transferred to the floating diffusion FD10 as an output node during a transfer period PT after the accumulation period PI.
The photoelectric conversion readout unit 220 outputs a readout reset signal (signal voltage) (VRST) and a readout signal (signal voltage) (VSIG) as pixel signals to the signal holding unit 230.
画素200Cの信号保持部230は、基本的に、入力ノードND20を含む入力部231、サンプルホールド部232、第1の出力部233、第2の出力部234、第3の出力部235、第4の出力部236、第5の出力部237、第6の出力部238、第7の出力部239、第8の出力部240、および保持ノードND21,ND22,ND23,ND24、ND25,ND26,ND27,ND28を含んで構成されている。
The signal holding section 230 of pixel 200C basically includes an input section 231 including an input node ND20, a
入力部231は、光電変換読み出し部220の読み出しノードND11と信号線LSGN10を介して接続され、読み出しノードND11から出力される読み出し信号(VSIG1)および読み出しリセット信号(VRST1)をサンプルホールド部232に入力する。
The input unit 231 is connected to the read node ND11 of the photoelectric conversion read unit 220 via the signal line LSGN10, and inputs the read signal (VSIG1) and read reset signal (VRST1) output from the read node ND11 to the
サンプルホールド部232は、第1のスイッチ素子としての第1のサンプリングトランジスタSHR1-Tr、第2のスイッチ素子としての第2のサンプリングトランジスタSHS1-Tr、第3のスイッチ素子としての第3のサンプリングトランジスタSHR2-Tr、第4のスイッチ素子としての第4のサンプリングトランジスタSHS2-Tr、
第5のスイッチ素子としての第5のサンプリングトランジスタSHR3-Tr、第6のスイッチ素子としての第6のサンプリングトランジスタSHS3-Tr、第7のスイッチ素子としての第4のサンプリングトランジスタSHR4-Tr、第8のスイッチ素子としての第8のサンプリングトランジスタSHS4-Trを含んで構成されている。
さらに、サンプルホールド部232は、第1の信号保持キャパシタCR21、第2の信号保持キャパシタCS21、第3の信号保持キャパシタCR22、第4の信号保持キャパシタCS22、第5の信号保持キャパシタCR23、第6の信号保持キャパシタCS23、第7の信号保持キャパシタCR24、第8の信号保持キャパシタCS24を含んで構成されている。
The
It is configured to include a fifth sampling transistor SHR3-Tr as a fifth switch element, a sixth sampling transistor SHS3-Tr as a sixth switch element, a fourth sampling transistor SHR4-Tr as a seventh switch element, and an eighth sampling transistor SHS4-Tr as an eighth switch element.
Furthermore, the
第1のサンプリングトランジスタSHR1-Trは、信号線LSGN10に接続された入力ノードND20と保持ノードND21との間に接続されている。
第1のサンプリングトランジスタSHR1-Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部232の第1の信号保持キャパシタCR21を、保持ノードND21を介して光電変換読み出し部220の読み出しノードND11と選択的に接続する。
第1のサンプリングトランジスタSHR1-Trは、たとえば制御信号SHR1がハイレベルの期間に導通状態となる。
第1の信号保持キャパシタCR21は、保持ノードND21と基準電位VSSとの間に接続されている。
The first sampling transistor SHR1-Tr is connected between an input node ND20 connected to a signal line LSGN10 and a hold node ND21.
The first sampling transistor SHR1-Tr selectively connects the first signal holding capacitor CR21 of the
The first sampling transistor SHR1-Tr is in a conductive state, for example, while the control signal SHR1 is at a high level.
The first signal holding capacitor CR21 is connected between the holding node ND21 and the reference potential VSS.
第2のサンプリングトランジスタSHS1-Trは、信号線LSGN10に接続された入力ノードND20と保持ノードND22との間に接続されている。
第2のサンプリングトランジスタSHS1-Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部232の第2の信号保持キャパシタCS21を、保持ノードND22を介して光電変換読み出し部220の読み出しノードND11と選択的に接続する。
第2のサンプリングトランジスタSHS1-Trは、たとえば制御信号SHS1がハイレベルの期間に導通状態となる。
第2の信号保持キャパシタCS21は、保持ノードND22と基準電位VSSとの間に接続されている。
The second sampling transistor SHS1-Tr is connected between an input node ND20 connected to a signal line LSGN10 and a hold node ND22.
The second sampling transistor SHS1-Tr selectively connects the second signal holding capacitor CS21 of the
The second sampling transistor SHS1-Tr is in a conductive state, for example, while the control signal SHS1 is at a high level.
The second signal holding capacitor CS21 is connected between the holding node ND22 and the reference potential VSS.
第3のサンプリングトランジスタSHR2-Trは、信号線LSGN10に接続された入力ノードND20と保持ノードND23との間に接続されている。
第3のサンプリングトランジスタSHR2-Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部232の第3の信号保持キャパシタCR22を、保持ノードND23を介して光電変換読み出し部220の読み出しノードND11と選択的に接続する。
第3のサンプリングトランジスタSHR2-Trは、たとえば制御信号SHR2がハイレベルの期間に導通状態となる。
第3の信号保持キャパシタCR22は、保持ノードND23と基準電位VSSとの間に接続されている。
The third sampling transistor SHR2-Tr is connected between an input node ND20 connected to the signal line LSGN10 and a hold node ND23.
The third sampling transistor SHR2-Tr selectively connects the third signal holding capacitor CR22 of the
The third sampling transistor SHR2-Tr is in a conductive state, for example, while the control signal SHR2 is at a high level.
The third signal holding capacitor CR22 is connected between the holding node ND23 and the reference potential VSS.
第4のサンプリングトランジスタSHS2-Trは、信号線LSGN10に接続された入力ノードND20と保持ノードND24との間に接続されている。
第4のサンプリングトランジスタSHS2-Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部232の第4の信号保持キャパシタCS22を、保持ノードND24を介して光電変換読み出し部220の読み出しノードND112と選択的に接続する。
第4のサンプリングトランジスタSHS2-Trは、たとえば制御信号SHS2がハイレベルの期間に導通状態となる。
第4の信号保持キャパシタCS22は、保持ノードND24と基準電位VSSとの間に接続されている。
The fourth sampling transistor SHS2-Tr is connected between an input node ND20 connected to the signal line LSGN10 and a hold node ND24.
The fourth sampling transistor SHS2-Tr selectively connects the fourth signal holding capacitor CS22 of the
The fourth sampling transistor SHS2-Tr is in a conductive state, for example, while the control signal SHS2 is at a high level.
The fourth signal holding capacitor CS22 is connected between the holding node ND24 and the reference potential VSS.
第5のサンプリングトランジスタSHR3-Trは、信号線LSGN10に接続された入力ノードND20と保持ノードND25との間に接続されている。
第5のサンプリングトランジスタSHR3-Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部232の第5の信号保持キャパシタCR23を、保持ノードND25を介して光電変換読み出し部220の読み出しノードND11と選択的に接続する。
第5のサンプリングトランジスタSHR3-Trは、たとえば制御信号SHR3がハイレベルの期間に導通状態となる。
第5の信号保持キャパシタCR23は、保持ノードND25と基準電位VSSとの間に接続されている。
The fifth sampling transistor SHR3-Tr is connected between an input node ND20 connected to the signal line LSGN10 and a hold node ND25.
The fifth sampling transistor SHR3-Tr selectively connects the fifth signal holding capacitor CR23 of the
The fifth sampling transistor SHR3-Tr is in a conductive state, for example, while the control signal SHR3 is at a high level.
The fifth signal holding capacitor CR23 is connected between the holding node ND25 and the reference potential VSS.
第6のサンプリングトランジスタSHS3-Trは、信号線LSGN10に接続された入力ノードND20と保持ノードND26との間に接続されている。
第6のサンプリングトランジスタSHS3-Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部232の第6の信号保持キャパシタCS23を、保持ノードND26を介して光電変換読み出し部220の読み出しノードND11と選択的に接続する。
第6のサンプリングトランジスタSHS3-Trは、たとえば制御信号SHS3がハイレベルの期間に導通状態となる。
第6の信号保持キャパシタCS23は、保持ノードND26と基準電位VSSとの間に接続されている。
The sixth sampling transistor SHS3-Tr is connected between an input node ND20 connected to the signal line LSGN10 and a hold node ND26.
The sixth sampling transistor SHS3-Tr selectively connects the sixth signal holding capacitor CS23 of the
The sixth sampling transistor SHS3-Tr is in a conductive state, for example, while the control signal SHS3 is at a high level.
The sixth signal holding capacitor CS23 is connected between the holding node ND26 and the reference potential VSS.
第7のサンプリングトランジスタSHR4-Trは、信号線LSGN10に接続された入力ノードND20と保持ノードND27との間に接続されている。
第7のサンプリングトランジスタSHR4-Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部232の第3の信号保持キャパシタCR24を、保持ノードND27を介して光電変換読み出し部220の読み出しノードND11と選択的に接続する。
第3のサンプリングトランジスタSHR4-Trは、たとえば制御信号SHR4がハイレベルの期間に導通状態となる。
第7の信号保持キャパシタCR24は、保持ノードND27と基準電位VSSとの間に接続されている。
The seventh sampling transistor SHR4-Tr is connected between an input node ND20 connected to the signal line LSGN10 and a hold node ND27.
The seventh sampling transistor SHR4-Tr selectively connects the third signal holding capacitor CR24 of the
The third sampling transistor SHR4-Tr is in a conductive state, for example, while the control signal SHR4 is at a high level.
The seventh signal holding capacitor CR24 is connected between the holding node ND27 and the reference potential VSS.
第8のサンプリングトランジスタSHS4-Trは、信号線LSGN10に接続された入力ノードND20と保持ノードND28との間に接続されている。
第8のサンプリングトランジスタSHS4-Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部232の第8の信号保持キャパシタCS24を、保持ノードND28を介して光電変換読み出し部220の読み出しノードND112と選択的に接続する。
第8のサンプリングトランジスタSHS4-Trは、たとえば制御信号SHS4がハイレベルの期間に導通状態となる。
第8の信号保持キャパシタCS24は、保持ノードND28と基準電位VSSとの間に接続されている。
The eighth sampling transistor SHS4-Tr is connected between an input node ND20 connected to the signal line LSGN10 and a hold node ND28.
The eighth sampling transistor SHS4-Tr selectively connects the eighth signal holding capacitor CS24 of the sample and hold
The eighth sampling transistor SHS4-Tr is in a conductive state, for example, while the control signal SHS4 is at a high level.
The eighth signal holding capacitor CS24 is connected between the holding node ND28 and the reference potential VSS.
なお、第1のサンプリングトランジスタSHR1-Tr、第2のサンプリングトランジスタSHS1-Tr、第3のサンプリングトランジスタSHR2-Tr、第4のサンプリングトランジスタSHS2-Tr,第5のサンプリングトランジスタSHR3-Tr、第6のサンプリングトランジスタSHS3-Tr、第7のサンプリングトランジスタSHR4-Tr、第8のサンプリングトランジスタSHS4-Trは、MOSトランジスタ、たとえばpチャネルMOS(PMOS)トランジスタにより形成される。 The first sampling transistor SHR1-Tr, the second sampling transistor SHS1-Tr, the third sampling transistor SHR2-Tr, the fourth sampling transistor SHS2-Tr, the fifth sampling transistor SHR3-Tr, the sixth sampling transistor SHS3-Tr, the seventh sampling transistor SHR4-Tr, and the eighth sampling transistor SHS4-Tr are formed of MOS transistors, for example, p-channel MOS (PMOS) transistors.
第1の出力部233は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第1の信号保持キャパシタCR21に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第2のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF2R-Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL1R-Trを介して垂直信号線LSGN11に出力する。
The
ソースフォロワトランジスタSF2R-Trと選択トランジスタSEL1R-Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN11の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF2R-Tr and the selection transistor SEL1R-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN11.
ソースフォロワトランジスタSF2R-Trのゲートには保持ノードND21が接続され、選択トランジスタSEL1R-Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL1により制御される。
選択トランジスタSEL1R-Trは、制御信号SEL1がLレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF2R-Trは第1の信号保持キャパシタCR21の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VRST)を垂直信号線LSGN11に出力する。
The gate of the source follower transistor SF2R-Tr is connected to the hold node ND21, and the selection transistor SEL1R-Tr is controlled by a control signal SEL1 applied to the gate through a control line.
The selection transistor SEL1R-Tr is selected and turned on during a selection period when the control signal SEL1 is at the L level, so that the source follower transistor SF2R-Tr outputs a column output read voltage (VRST) corresponding to the voltage held by the first signal holding capacitor CR21 to the vertical signal line LSGN11.
第2の出力部234は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第2の信号保持キャパシタCS21に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第3のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF3S-Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL2S-Trを介して垂直信号線LSGN12に出力する。
The
ソースフォロワトランジスタSF3S-Trと選択トランジスタSEL2S-Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN12の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF3S-Tr and the selection transistor SEL2S-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN12.
ソースフォロワトランジスタSF3S-Trのゲートには保持ノードND22が接続され、選択トランジスタSEL2S-Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL2により制御される。
選択トランジスタSEL2S-Trは、制御信号SEL2がLレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF3S-Trは第2の信号保持キャパシタCS21の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VSIG)を垂直信号線LSGN12に出力する。
A hold node ND22 is connected to the gate of the source follower transistor SF3S-Tr, and the selection transistor SEL2S-Tr is controlled by a control signal SEL2 applied to the gate through a control line.
The selection transistor SEL2S-Tr is selected and turned on during a selection period when the control signal SEL2 is at the L level, so that the source follower transistor SF3S-Tr outputs a column output read voltage (VSIG) corresponding to the voltage held by the second signal holding capacitor CS21 to the vertical signal line LSGN12.
第3の出力部235は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第3の信号保持キャパシタCR22に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第4のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF4R-Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL3R-Trを介して垂直信号線LSGN11に出力する。
The
ソースフォロワトランジスタSF4R-Trと選択トランジスタSEL3R-Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN11の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF4R-Tr and the selection transistor SEL3R-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN11.
ソースフォロワトランジスタSF4R-Trのゲートには保持ノードND23が接続され、選択トランジスタSEL3R-Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL3により制御される。
選択トランジスタSEL3R-Trは、制御信号SEL3がLレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF4R-Trは第3の信号保持キャパシタCR22の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VRST)を垂直信号線LSGN11に出力する。
The gate of the source follower transistor SF4R-Tr is connected to the hold node ND23, and the selection transistor SEL3R-Tr is controlled by a control signal SEL3 applied to the gate through a control line.
The selection transistor SEL3R-Tr is selected and turned on during a selection period when the control signal SEL3 is at the L level, so that the source follower transistor SF4R-Tr outputs a column output read voltage (VRST) corresponding to the voltage held by the third signal holding capacitor CR22 to the vertical signal line LSGN11.
第4の出力部236は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第4の信号保持キャパシタCS22に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第5のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF5S-Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL4S-Trを介して垂直信号線LSGN12に出力する。
The
ソースフォロワトランジスタSF5S-Trと選択トランジスタSEL4S-Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN12の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF5S-Tr and the selection transistor SEL4S-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN12.
ソースフォロワトランジスタSF5S-Trのゲートには保持ノードND24が接続され、選択トランジスタSEL4S-Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL4により制御される。
選択トランジスタSEL4S-Trは、制御信号SEL4がLレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF5S-Trは第4の信号保持キャパシタCS22の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VSIG)を垂直信号線LSGN12に出力する。
A hold node ND24 is connected to the gate of the source follower transistor SF5S-Tr, and the selection transistor SEL4S-Tr is controlled by a control signal SEL4 applied to the gate through a control line.
The selection transistor SEL4S-Tr is selected and turned on during a selection period when the control signal SEL4 is at the L level, so that the source follower transistor SF5S-Tr outputs a column output read voltage (VSIG) corresponding to the voltage held by the fourth signal holding capacitor CS22 to the vertical signal line LSGN12.
第5の出力部237は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第5の信号保持キャパシタCR23に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第6のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF6R-Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL5R-Trを介して垂直信号線LSGN11に出力する。
The
ソースフォロワトランジスタSF6R-Trと選択トランジスタSEL5R-Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN11の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF6R-Tr and the selection transistor SEL5R-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN11.
ソースフォロワトランジスタSF6R-Trのゲートには保持ノードND25が接続され、選択トランジスタSEL5R-Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL5により制御される。
選択トランジスタSEL5R-Trは、制御信号SEL5がLレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF6R-Trは第5の信号保持キャパシタCR23の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VRST)を垂直信号線LSGN11に出力する。
The gate of the source follower transistor SF6R-Tr is connected to the hold node ND25, and the selection transistor SEL5R-Tr is controlled by a control signal SEL5 applied to the gate through a control line.
The selection transistor SEL5R-Tr is selected and turned on during a selection period when the control signal SEL5 is at the L level, so that the source follower transistor SF6R-Tr outputs a column output read voltage (VRST) corresponding to the voltage held by the fifth signal holding capacitor CR23 to the vertical signal line LSGN11.
第6の出力部238は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第6の信号保持キャパシタCS23に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第7のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF7S-Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL6S-Trを介して垂直信号線LSGN12に出力する。
The
ソースフォロワトランジスタSF7S-Trと選択トランジスタSEL6S-Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN12の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF7S-Tr and the selection transistor SEL6S-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN12.
ソースフォロワトランジスタSF37-Trのゲートには保持ノードND26が接続され、選択トランジスタSEL6S-Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL6により制御される。
選択トランジスタSEL6S-Trは、制御信号SEL6がLレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF7S-Trは第2の信号保持キャパシタCS23の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VSIG)を垂直信号線LSGN12に出力する。
The gate of the source follower transistor SF37-Tr is connected to the hold node ND26, and the selection transistor SEL6S-Tr is controlled by a control signal SEL6 applied to the gate through a control line.
The selection transistor SEL6S-Tr is selected and turned on during a selection period when the control signal SEL6 is at the L level, so that the source follower transistor SF7S-Tr outputs a column output read voltage (VSIG) corresponding to the voltage held by the second signal holding capacitor CS23 to the vertical signal line LSGN12.
第7の出力部239は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第7の信号保持キャパシタCR24に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第8のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF8R-Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL7R-Trを介して垂直信号線LSGN11に出力する。
The
ソースフォロワトランジスタSF8R-Trと選択トランジスタSEL7R-Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN11の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF8R-Tr and the selection transistor SEL7R-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN11.
ソースフォロワトランジスタSF8R-Trのゲートには保持ノードND27が接続され、選択トランジスタSEL7R-Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL7により制御される。
選択トランジスタSEL7R-Trは、制御信号SEL7がLレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF8R-Trは第7の信号保持キャパシタCR24の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VRST)を垂直信号線LSGN11に出力する。
A hold node ND27 is connected to the gate of the source follower transistor SF8R-Tr, and the selection transistor SEL7R-Tr is controlled by a control signal SEL7 applied to the gate through a control line.
The selection transistor SEL7R-Tr is selected and turned on during a selection period when the control signal SEL7 is at the L level, so that the source follower transistor SF8R-Tr outputs a column output read voltage (VRST) corresponding to the voltage held by the seventh signal holding capacitor CR24 to the vertical signal line LSGN11.
第8の出力部240は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第8の信号保持キャパシタCS24に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第9のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF9S-Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL8S-Trを介して垂直信号線LSGN12に出力する。
The
ソースフォロワトランジスタSF9S-Trと選択トランジスタSEL8S-Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN12の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF9S-Tr and the selection transistor SEL8S-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN12.
ソースフォロワトランジスタSF9S-Trのゲートには保持ノードND28が接続され、選択トランジスタSEL8S-Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL8により制御される。
選択トランジスタSEL8S-Trは、制御信号SEL8がLレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF9S-Trは第8の信号保持キャパシタCS24の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VSIG)を垂直信号線LSGN12に出力する。
The gate of the source follower transistor SF9S-Tr is connected to the hold node ND28, and the selection transistor SEL8S-Tr is controlled by a control signal SEL8 applied to the gate through a control line.
The selection transistor SEL8S-Tr is selected and turned on during a selection period when the control signal SEL8 is at the L level, so that the source follower transistor SF9S-Tr outputs a column output read voltage (VSIG) corresponding to the voltage held by the eighth signal holding capacitor CS24 to the vertical signal line LSGN12.
このように、本第4の実施形態に係る固体撮像装置10Cにおいては、画素信号ストレージとしての信号保持部230に、電圧モードで、画素信号を全画素で同時にサンプリングし、第1の信号保持キャパシタCR21,第2の信号保持キャパシタCS21,第3の信号保持キャパシタCR22,第4の信号保持キャパシタCS22、第5の信号保持キャパシタCR23,第6の信号保持キャパシタCS23,第7の信号保持キャパシタCR24,第8の信号保持キャパシタCS24に保持された読み出し信号に対応する変換信号を垂直信号線LSGN11,LSGN12に読み出し、カラム読み出し回路40に供給する。
In this way, in the solid-state imaging device 10C according to the fourth embodiment, the pixel signals are sampled simultaneously for all pixels in the signal holding unit 230 as pixel signal storage in voltage mode, and converted signals corresponding to the readout signals held in the first signal holding capacitor CR21, the second signal holding capacitor CS21, the third signal holding capacitor CR22, the fourth signal holding capacitor CS22, the fifth signal holding capacitor CR23, the sixth signal holding capacitor CS23, the seventh signal holding capacitor CR24, and the eighth signal holding capacitor CS24 are read out to the vertical signal lines LSGN11 and LSGN12 and supplied to the
本第3の実施形態に係る固体撮像装置10Cにおいては、1つの光電変換読み出し部220に複数のフォトダイオードPDの電荷蓄積部を有しており、それぞれの信号をグローバルに保持可能なメモリ部としての信号保持部230を有している。信号保持部230にグローバルに保持された信号はシーケンシャルに読み出される(ローリング読み出し)。 In the solid-state imaging device 10C according to the third embodiment, one photoelectric conversion readout section 220 has charge storage sections for multiple photodiodes PD, and has a signal holding section 230 as a memory section capable of holding each signal globally. The signals held globally in the signal holding section 230 are read out sequentially (rolling readout).
図22(A)および(B)は、本第4の実施形態にかかる固体撮像装置10Cのグローバルシャッタ読み出し動作をローリングシャッタ読み出し動作と比較して説明するための動作シーケンス図である。
図23(A)~(C)は、ローリングシャッタ読み出し動作のタイミングチャートの一例を示す図である。
図24(A)~(C)は、グローバルシャッタ読み出し動作のタイミングチャートの一例を示す図である。
22A and 22B are operation sequence diagrams for explaining the global shutter readout operation of the solid-state imaging device 10C according to the fourth embodiment in comparison with the rolling shutter readout operation.
23A to 23C are diagrams showing an example of a timing chart of a rolling shutter readout operation.
24A to 24C are diagrams showing an example of a timing chart of a global shutter read operation.
図23(A)および図24(A)は、4つのフォトダイオードPD10,PD11,PD12,PD13を単一の露光条件でかつ同時並列的に読み出す場合のタイミング例を示している。
図23(B)および図24(B)は、4つのフォトダイオードPD10,PD11,PD12,PD13をそれぞれ個別の露光条件でかつ同時並列的に読み出す場合のタイミング例を示している。
図23(C)および図24(C)は、4つのフォトダイオードPD10,PD11,PD12,PD13をそれぞれ個別の露光条件でかつ同時並列的に読み出す場合であって、読み出し期間がメモリ容量一組で対応可能である場合のタイミング例を示している。
23A and 24A show an example of timing when the four photodiodes PD10, PD11, PD12, and PD13 are simultaneously read out in parallel under a single exposure condition.
FIG. 23B and FIG. 24B show examples of timing when the four photodiodes PD10, PD11, PD12, and PD13 are simultaneously read out in parallel under individual exposure conditions.
Figures 23(C) and 24(C) show examples of timing when four photodiodes PD10, PD11, PD12, and PD13 are read out simultaneously in parallel under individual exposure conditions, and the readout period can be handled by one set of memory capacitance.
図21の回路構成例においては、第1の光電変換素子である第1のフォトダイオードPD10の蓄積電荷、第2の光電変換素子である第2のフォトダイオードPD11の蓄積電荷、第3の光電変換素子である第3のフォトダイオードPD12の蓄積電荷、および第4の光電変換素子である第4のフォトダイオードPD13の蓄積電荷はそれぞれ独立に読み出される。
最初に、光電変換読み出し部220においてフローティングディフュージョンFD10のリセットレベルが読み出され、信号保持部230の信号保持キャパシタCR21、CR22、CR23、CR24に保持される。
次いで、第1のフォトダイオードPD10の蓄積電荷に応じた信号が読み出され、信号保持部240の信号保持キャパシタCH21に保持される。
In the circuit configuration example of FIG. 21, the accumulated charge of the first photodiode PD10 which is the first photoelectric conversion element, the accumulated charge of the second photodiode PD11 which is the second photoelectric conversion element, the accumulated charge of the third photodiode PD12 which is the third photoelectric conversion element, and the accumulated charge of the fourth photodiode PD13 which is the fourth photoelectric conversion element are each read out independently.
First, the reset level of the floating diffusion FD10 is read out in the photoelectric conversion readout unit 220 and is held in the signal holding capacitors CR21, CR22, CR23, and CR24 of the signal holding unit 230.
Next, a signal corresponding to the accumulated charge in the
そして、たとえばカラム読み出し回路40において、差動で同時並列的に供給される画素信号pixoutの読み出しリセット信号VRSTと読み出し信号VSIGに対する増幅処理、AD変換処理が行われ、また、両信号の差分{VRST-VSIG}がとられてCDS処理が行われる。
For example, in the
同様に、第2のフォトダイオードPD11の蓄積電荷に応じた信号が読み出され、信号保持部230の信号保持キャパシタCH22に保持される。すなわち、第2のフォトダイオードPD11に対する信号読み出し、信号保持、CDS処理、AD変換処理等が同様に行われる。
次に、第3のフォトダイオードPD12の蓄積電荷に応じた信号が読み出され、信号保持部230の信号保持キャパシタCH23に保持される。すなわち、第3のフォトダイオードPD12に対する信号読み出し、信号保持、CDS処理、AD変換処理等が同様に行われる。
次に、第4のフォトダイオードPD13の蓄積電荷に応じた信号が読み出され、信号保持部230の信号保持キャパシタCH24に保持される。すなわち、第4のフォトダイオードPD13に対する信号読み出し、信号保持、CDS処理、AD変換処理等が同様に行われる。
結果として、第1のフォトダイオードPD10、第2のフォトダイオードPD11、第3のフォトダイオードPD12、および第4のフォトダイオードPD13のそれぞれ低ノイズで読み出された画素信号が歪みのない、たとえば位相差情報として処理される。
Similarly, a signal corresponding to the accumulated charge in the second photodiode PD11 is read out and held in the signal holding capacitor CH22 of the signal holding unit 230. That is, signal readout, signal holding, CDS processing, AD conversion processing, etc. are similarly performed for the second photodiode PD11.
Next, a signal corresponding to the accumulated charge in the third photodiode PD12 is read out and held in the signal holding capacitor CH23 of the signal holding unit 230. That is, signal readout, signal holding, CDS processing, AD conversion processing, etc. are similarly performed on the third photodiode PD12.
Next, a signal corresponding to the accumulated charge in the fourth photodiode PD13 is read out and held in the signal holding capacitor CH24 of the signal holding unit 230. That is, signal readout, signal holding, CDS processing, AD conversion processing, etc. are similarly performed on the fourth photodiode PD13.
As a result, pixel signals read out with low noise from each of the first photodiode PD10, the second photodiode PD11, the third photodiode PD12, and the fourth photodiode PD13 are processed as, for example, phase difference information without distortion.
ピクセルゲインは蓄積トランジスタBIN10-Tr(BINスイッチ)により制御が可能でPD信号量(照度)に合わせて制御することが可能で、広いレンジでのPDAF信号処理が可能すなわちHDRでのPDAF(Phase Detection Auto Focus)機能が可能となる。 The pixel gain can be controlled by the storage transistor BIN10-Tr (BIN switch) and can be controlled according to the PD signal amount (illuminance), enabling PDAF signal processing over a wide range, i.e., enabling the PDAF (Phase Detection Auto Focus) function in HDR.
なお、図22(A)、図23(A)~(C)に示すように、蓄積期間開始時刻が既存のローリング読み出しの場合は、画素の行方向(Y方向)の位置により異なるため、位相差情報が垂直座標により異なる。
特に対象物が高速で動いている場合には、画素アレイの上端と下端で読み出すタイミングが異なり、対象物の位置によって、位相差情報が異なるため、位相差情報に歪みが生じる。
これに対して、グローバルシャッタの場合には、図22(B)、図24(A)~(C)に示すように、この問題が解決され、動画においても位相差情報の歪みは発生しない。
As shown in Figures 22(A) and 23(A) to (C), in the case of existing rolling readout, the accumulation period start time differs depending on the position of the pixel in the row direction (Y direction), and therefore the phase difference information differs depending on the vertical coordinate.
In particular, when the object is moving at high speed, the readout timing differs between the upper and lower ends of the pixel array, and the phase difference information differs depending on the position of the object, resulting in distortion of the phase difference information.
On the other hand, in the case of the global shutter, as shown in FIG. 22(B) and FIGS. 24(A) to 24(C), this problem is solved and no distortion of phase difference information occurs even in moving images.
また、本第4の実施形態においては、画素内にメモリ部としての信号保持部230を配置したことにより、第1の光電変換素子である第1のフォトダイオードPD10の蓄積電荷、第2の光電変換素子である第2のフォトダイオードPD11の蓄積電荷、第3の光電変換素子である第3のフォトダイオードPD12の蓄積電荷、および第4の光電変換素子である第4のフォトダイオードPD13の蓄積電荷の読み出し情報のほぼ同時取り込みが可能となるが、フォトダイオードPDにAB(アンチブルーミング)ゲートとしのシャッタゲートトランジスタSG10-Tr,SG11-Tr,SG12-Tr,SG13-Trを配置したことにより、片方の信号(たとえばPD11)読みだし時に片側の信号(PD10)の信号の混入を防ぐことが可能となり、正常な光電変換特性を得ることができる。 In addition, in the fourth embodiment, by arranging a signal holding unit 230 as a memory unit within the pixel, it becomes possible to almost simultaneously capture read information of the accumulated charge of the first photodiode PD10, which is the first photoelectric conversion element, the accumulated charge of the second photodiode PD11, which is the second photoelectric conversion element, the accumulated charge of the third photodiode PD12, which is the third photoelectric conversion element, and the accumulated charge of the fourth photodiode PD13, which is the fourth photoelectric conversion element. However, by arranging shutter gate transistors SG10-Tr, SG11-Tr, SG12-Tr, and SG13-Tr as AB (anti-blooming) gates in the photodiode PD, it becomes possible to prevent the signal of one side (PD10) from being mixed in when reading out the signal of one side (for example, PD11), and normal photoelectric conversion characteristics can be obtained.
以上説明したように、本第4の実施形態によれば、固体撮像装置10Cは、画素部20Cにおいて、画素として光電変換読み出し部220および信号保持部230を含み、グローバルシャッタの動作機能を持ち、かつ実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することを可能とする、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。
As described above, according to the fourth embodiment, the solid-state imaging device 10C includes a photoelectric conversion readout section 220 and a signal holding section 230 as pixels in the
したがって、本第4の実施形態の固体撮像装置10Cによれば、グローバルシャッタを実現することができることはもとより、蓄積期間にフォトダイオードから溢れ出る電荷をリアルタイムに利用することから、広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能となる。
また、本第4の実施形態によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能となる。
Therefore, according to the solid-state imaging device 10C of the fourth embodiment, not only can a global shutter be realized, but also, by utilizing the charge overflowing from the photodiode during the accumulation period in real time, it is possible to achieve a wide dynamic range and a high frame rate.
Moreover, according to the fourth embodiment, it is possible to realize a substantially wide dynamic range and a high frame rate, while also achieving low noise and maximizing the effective pixel area, thereby maximizing value per cost.
また、本第4の実施形態の固体撮像装置10Cによれば、構成の複雑化を防止しつつ、レイアウト上の面積効率の低下を防止することができる。 In addition, the solid-state imaging device 10C of the fourth embodiment can prevent the configuration from becoming complicated while preventing a decrease in layout area efficiency.
また、本第4の実施形態に係る固体撮像装置10Cは、第1の基板(上基板)110と第2の基板(下基板)120の積層構造を有する。
したがって、本第4の実施形態において、第1の基板110側を、基本的に、NMOS系の素子だけで形成すること、および、画素アレイにより有効画素領域を最大限に拡大することにより、コストあたりの価値を最大限に高めることができる。
The solid-state imaging device 10C according to the fourth embodiment has a laminated structure of a first substrate (upper substrate) 110 and a second substrate (lower substrate) 120.
Therefore, in the fourth embodiment, the
なお、上記説明では、積層型のアナロググローバルシャッタ機能を持つ固体撮像装置について説明した。
ただし、本発明は、たとえば各画素に比較器を含むADC(さらにはメモリ部)を配置して、画素アレイ部中の全画素に対して同一のタイミングで露光開始と露光終了とを実行するグローバルシャッタをも実現可能にするデジタル画素(ピクセル)センサ(DPS)を持つ固体撮像装置にも適用することが可能である。
In the above description, a stacked solid-state imaging device having an analog global shutter function has been described.
However, the present invention can also be applied to a solid-state imaging device having a digital pixel sensor (DPS) that enables a global shutter to be realized in which exposure starts and ends at the same timing for all pixels in the pixel array by, for example, arranging an ADC (and even a memory section) including a comparator in each pixel.
以上説明した固体撮像装置10,10A,10B,10Cは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。
The solid-
図25は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載し
た電子機器の構成の一例を示す図である。
FIG. 25 is a diagram showing an example of the configuration of an electronic device equipped with a camera system to which a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention is applied.
本電子機器300は、図25に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置10,10A,10B,10Cが適用可能なCMOSイメージセンサ310を有する。
さらに、電子機器300は、このCMOSイメージセンサ310の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)320を有する。
電子機器300は、CMOSイメージセンサ310の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)330を有する。
As shown in FIG. 25, the
Furthermore, the
The
信号処理回路330は、CMOSイメージセンサ310の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路330で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
The
The image signal processed by the
上述したように、CMOSイメージセンサ310として、前述した固体撮像装置10,10A,10B,10Cを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
As described above, by mounting the above-described solid-
This makes it possible to realize electronic devices such as surveillance cameras and medical endoscope cameras that are used in applications where the camera installation requirements include constraints such as mounting size, number of connectable cables, cable length, and installation height.
10,10A,10B,10C・・・固体撮像装置、20・・・画素部、PD10・・・第1のフォトダイオード、PD11・・・第2のフォトダイオード、PD12・・・第3のフォトダイオード、PD13・・・第4のフォトダイオード、TG0-Tr・・・第10の転送トランジスタ、TG11-Tr・・・第2の転送トランジスタ、TG12-Tr・・・第3の転送トランジスタ、TG13-Tr・・・第4の転送トランジスタ、SG10-Tr・・・第1のシャッタゲートトランジスタ、SG11-Tr・・・第2のシャッタゲートトランジスタ、SG122-Tr・・・第3のシャッタゲートトランジスタ、SG13-Tr・・・第4のシャッタゲートトランジスタ、FD10・・・フローティングディフュージョン、RST10-Tr・・・リセットトランジスタ、SF10-Tr・・・ソースフォロワトランジスタ、BIN10-Tr・・・蓄積トランジスタ、CS・・・蓄積キャパシタ、220・・・光電変換読み出し部、230・・・信号保持部、30・・・垂直走査回路、40・・・出力回路、50・・・タイミング制御回路、60・・・読み出し部、300・・・電子機器、310・・・CMOSイメージセンサ、320・・・光学系、330・・・信号処理回路(PRC)。 10, 10A, 10B, 10C...solid-state imaging device, 20...pixel section, PD10...first photodiode, PD11...second photodiode, PD12...third photodiode, PD13...fourth photodiode, TG0-Tr...tenth transfer transistor, TG11-Tr...second transfer transistor, TG12-Tr...third transfer transistor, TG13-Tr...fourth transfer transistor, SG10-Tr...first shutter gate transistor, SG11-Tr...second shutter gate transistor, SG122-Tr...third shutter gate transistor, SG13-Tr...fourth shutter gate transistor, FD10...floating diffusion, RST10-Tr...reset transistor, SF10-Tr...source follower transistor, BIN10-Tr...storage transistor, CS...storage capacitor, 220...photoelectric conversion readout section, 230...signal holding section, 30...vertical scanning circuit, 40...output circuit, 50...timing control circuit, 60...readout section, 300...electronic device, 310...CMOS image sensor, 320...optical system, 330...signal processing circuit (PRC).
Claims (16)
前記画素部の前記共有画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、
前記共有画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも3つの光電変換素子と、
前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間にそれぞれ個別に転送可能な複数の転送素子と、
前記転送素子の各々を通じて前記光電変換素子各々の蓄積電荷が転送される出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部としてのソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンに接続された蓄積素子と、
前記蓄積素子を介して前記フローティングディフュージョンの電荷を蓄積する蓄積容量素子と、
前記光電変換素子の各々に接続され、接続された前記光電変換素子から電荷を前記フローティングディフュージョン領域方向または前記フローティングディフュージョン領域外方向にオーバーフローさせることが可能な複数の電荷オーバーフローゲート素子と、を含み、
前記蓄積素子は、前記フローティングディフュージョンと前記リセット素子との間に配置され、
前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの電荷量を第1容量または第2容量に変更して前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子の変換利得を前記第1容量で決まる第1変換利得または前記第2容量で決まる第2変換利得に切り換え可能な利得切換部を含み、
1つの前記フローティングディフュージョンおよび1つの前記ソースフォロワ素子が前記複数の光電変換素子および前記複数の転送素子により共有され、
素子形成領域の中央部分に前記フローティングディフュージョンが配置され、当該フローティングディフュージョンを中心として前記複数の光電変換素子が放射状に配置され、
前記フローティングディフュージョンは、互いに対向する第1の側部と第2の側部を含み、前記フローティングディフュージョンの第1の側部に直交する第1の方向に隣接して前記ソースフォロワ素子が配置され、前記フローティングディフュージョンの第2の側部の前記第1の方向に隣接して前記リセット素子が配置され、
前記フローティングディフュージョンと前記ソースフォロワ素子が配線により接続され、
前記第1の方向に対して直交する第2の方向に隣接する前記光電変換素子は、少なくとも前記ソースフォロワ素子および前記リセット素子が形成可能な第1の間隔をおいて配置され、
前記第1の方向に隣接する前記光電変換素子は、前記第1の間隔より狭い第2の間隔をおいて配置され、
前記フローティングディフュージョンの前記第1の側部の第2の方向における第1の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第1の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間、並びに、前記フローティングディフュージョンの前記第2の側部の第2の方向における第2の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第2の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間を接続するように、それぞれ対応する前記転送素子が配置され、
前記電荷オーバーフローゲート素子は、前記光電変換素子の前記第1の縁部とは離間した外縁側の第2の縁部と接続するように配置され、
前記読み出し部は、
前記共有画素の複数の前記光電変換素子のうち少なくとも2つの光電変換素子の蓄積電荷に対して、
前記リセット期間後のリセット読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第2容量で決まる第2変換利得で変換した第2の読み出しリセット信号を読み出し、当該第2の読み出しリセット信号に対する所定の処理を行う第2変換利得リセット読み出し処理と、
前記利得切換部により利得を切り換えて、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第1容量で決まる第1変換利得で変換した第1の読み出しリセット信号を読み出し、当該第1の読み出しリセット信号に対する所定の処理を行う第1変換利得リセット読み出し処理と、
前記リセット読み出し期間後の第1の前記転送期間に続く第1の読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第1容量で決まる第1変換利得で変換した第1の読み出し信号を読み出し、当該第1の読み出し信号に対する所定の処理を行う第1変換利得読み出し処理と、
前記第1の読み出し期間後に前記利得切換部により利得を切り換えて、前記第1の読み出し期間後の第2の前記転送期間に続く第2の読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第2容量で決まる第2変換利得で変換した第2の読み出し信号を読み出し、当該第2の読み出し信号に対する所定の処理を行う第2変換利得読み出し処理と、を行うことが可能であり、
前記読み出し部は、
前記第2変換利得リセット読み出し処理を、
前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行し、
前記第1変換利得リセット読み出し処理および前記第1変換利得読み出し処理を、
前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を非導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を分離させて実行し、
前記第2変換利得読み出し処理を、
前記転送素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、前記電荷オーバーフローゲート素子を導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行する
固体撮像装置。 a pixel section in which shared pixels that perform photoelectric conversion are arranged;
a readout unit that reads out pixel signals from the shared pixels of the pixel unit,
The shared pixel is
At least three photoelectric conversion elements that accumulate charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period;
a plurality of transfer elements capable of individually transferring the charges accumulated in each of the photoelectric conversion elements during a transfer period following the accumulation period;
a floating diffusion serving as an output node to which the accumulated charges of each of the photoelectric conversion elements are transferred through each of the transfer elements;
a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period;
a source follower element serving as an output buffer unit that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to the amount of charge and outputs the converted voltage signal;
a storage element connected to the floating diffusion;
a storage capacitance element that stores the charge of the floating diffusion through the storage element;
a plurality of charge overflow gate elements connected to the respective photoelectric conversion elements and capable of overflowing charge from the connected photoelectric conversion elements toward the floating diffusion region or toward an outside of the floating diffusion region;
the storage element is disposed between the floating diffusion and the reset element;
a gain switching unit capable of switching a conversion gain of the source follower element as the output buffer unit to a first conversion gain determined by the first capacitance or a second conversion gain determined by the second capacitance by changing an amount of charge of a floating diffusion as the output node to a first capacitance or a second capacitance,
one of the floating diffusions and one of the source follower elements are shared by the plurality of photoelectric conversion elements and the plurality of transfer elements;
the floating diffusion is disposed in a central portion of an element forming region, and the plurality of photoelectric conversion elements are disposed radially around the floating diffusion;
the floating diffusion includes a first side and a second side opposed to each other, the source follower element is disposed adjacent to the first side of the floating diffusion in a first direction perpendicular to the first side, and the reset element is disposed adjacent to the second side of the floating diffusion in the first direction;
the floating diffusion and the source follower element are connected by wiring;
the photoelectric conversion elements adjacent to each other in a second direction perpendicular to the first direction are arranged at a first interval that allows at least the source follower element and the reset element to be formed;
the photoelectric conversion elements adjacent to each other in the first direction are disposed at a second interval that is narrower than the first interval;
the transfer elements are arranged so as to connect between a first side edge portion in a second direction of the first side portion of the floating diffusion and a first edge portion of the photoelectric conversion element that faces the first side edge portion, and between a second side edge portion in a second direction of the second side portion of the floating diffusion and a first edge portion of the photoelectric conversion element that faces the second side edge portion,
the charge overflow gate element is arranged to be connected to a second edge portion of the photoelectric conversion element on an outer edge side spaced apart from the first edge portion,
The readout unit is
With respect to the accumulated charges of at least two of the plurality of photoelectric conversion elements of the shared pixel,
a second conversion gain reset read process for reading out a second read reset signal converted with a second conversion gain determined by a second capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit during a reset read period after the reset period, and performing a predetermined process on the second read reset signal;
a first conversion gain reset read process for switching a gain by the gain switching unit, reading out a first read reset signal converted with a first conversion gain determined by a first capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit, and performing a predetermined process on the first read reset signal;
a first conversion gain readout process for reading out a first readout signal converted with a first conversion gain determined by a first capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit during a first readout period following the first transfer period after the reset readout period, and performing a predetermined process on the first readout signal;
a second conversion gain readout process in which a gain is switched by the gain switching unit after the first readout period, and a second readout signal converted with a second conversion gain determined by a second capacitance of the floating diffusion as the output node is read out from the source follower element as the output buffer unit during a second readout period following the second transfer period after the first readout period, and a predetermined process is performed on the second readout signal;
The readout unit is
The second conversion gain reset read process is
The transfer element, the charge overflow gate element, and the reset element are held in a non-conductive state, and the storage element is held in a conductive state, so that the charge of the floating diffusion as the output node and the charge of the storage capacitance element are shared;
The first conversion gain reset read process and the first conversion gain read process,
The transfer element, the charge overflow gate element, and the reset element are maintained in a non-conductive state, and the storage element is maintained in a non-conductive state, thereby separating the charge of the floating diffusion as the output node from the charge of the storage capacitance element;
The second conversion gain readout process is
A solid-state imaging device which holds the transfer element and the reset element in a non-conductive state, holds the charge overflow gate element in a conductive state, and holds the storage element in a conductive state, thereby sharing the charge of the floating diffusion as the output node and the charge of the storage capacitance element.
請求項1記載の固体撮像装置。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an overflow path is formed in a layer deeper than at least a channel forming region of the transfer element.
請求項2載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 2 , wherein the potential of the overflow path is controllable by a gate potential of the transfer element.
請求項1から3のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1 , wherein an overflow path is formed under at least a channel formation region of the charge overflow gate element.
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像装置。 5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the charge overflow gate element functions as a shutter gate that transfers the accumulated charge of the photoelectric conversion element to an outside of a floating diffusion region serving as the output node.
請求項5記載の固体撮像装置。 6. The solid-state imaging device according to claim 5, wherein the transfer element and the charge overflow gate element are driven and controlled at separate timings.
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像装置。 5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a threshold value of each of the charge overflow gate elements is individually adjusted.
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第1の光電変換素子と、
前記第1の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第1の転送素子と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第2の光電変換素子と、
前記第2の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第2の転送素子と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第3の光電変換素子と、
前記第3の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第3の転送素子と、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第4の光電変換素子と、
前記第4の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第4の転送素子と、を少なくとも含み、
前記フローティングディフュージョンは、
前記第1の転送素子を通じて前記第1の光電変換素子の蓄積電荷、前記第2の転送素子を通じて前記第2の光電変換素子の蓄積電荷、前記第3の転送素子を通じて前記第3の光電変換素子の蓄積電荷、または前記第4の転送素子を通じて前記第4の光電変換素子の蓄積電荷が転送され、
素子形成領域の中央部分に前記フローティングディフュージョンが配置され、当該フローティングディフュージョンを中心として前記第1の光電変換素子、前記第2の光電変換素子、前記第3の光電変換素子、および前記第4の光電変換素子が放射状に配置され、
前記フローティングディフュージョンの前記第1の側部に直交する前記第1の方向に隣接して前記ソースフォロワ素子が配置され、前記フローティングディフュージョンの前記第2の側部の前記第1の方向に隣接して前記リセット素子が配置され、
前記フローティングディフュージョンと前記ソースフォロワ素子が配線により接続され、
前記第2の方向に隣接する前記第1の光電変換素子と前記第2の光電変換素子、並びに、前記第3の光電変換素子と前記第4の光電変換素子は、少なくとも前記ソースフォロワ素子および前記リセット素子が形成可能な前記第1の間隔をおいて配置され、
前記第1の方向に隣接する前記第1の光電変換素子と前記第3の光電変換素子、並びに、前記第2の光電変換素子と前記第4の光電変換素子は、前記第1の間隔より狭い前記第2の間隔をおいて配置され、
前記フローティングディフュージョンの前記第1の側部の前記第2の方向における両端の前記第1の側部側端縁部と前記第1の光電変換素子と前記第2の光電変換素子の当該第1の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間を接続するように対応する前記第1の転送素子と前記第2の転送素子が配置され、
前記フローティングディフュージョンの前記第2の側部の前記第2の方向における両端の第2の側部側端縁部と前記第3の光電変換素子と前記第4の光電変換素子の当該第2の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間を接続するように対応する前記第3の転送素子と前記第4の転送素子が配置されている
請求項1から7のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The shared pixel is
a first photoelectric conversion element that accumulates charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period;
a first transfer element capable of transferring the charge accumulated in the first photoelectric conversion element during a transfer period following the accumulation period;
a second photoelectric conversion element that accumulates charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period;
a second transfer element capable of transferring the charge accumulated in the second photoelectric conversion element during a transfer period following the accumulation period;
a third photoelectric conversion element that accumulates charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period;
a third transfer element capable of transferring the charge accumulated in the third photoelectric conversion element during a transfer period following the accumulation period;
a fourth photoelectric conversion element that accumulates charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period;
a fourth transfer element capable of transferring the charge accumulated in the fourth photoelectric conversion element during a transfer period following the accumulation period;
The floating diffusion is
the accumulated charge of the first photoelectric conversion element is transferred through the first transfer element, the accumulated charge of the second photoelectric conversion element is transferred through the second transfer element, the accumulated charge of the third photoelectric conversion element is transferred through the third transfer element, or the accumulated charge of the fourth photoelectric conversion element is transferred through the fourth transfer element;
the floating diffusion is disposed in a central portion of an element formation region, and the first photoelectric conversion element, the second photoelectric conversion element, the third photoelectric conversion element, and the fourth photoelectric conversion element are radially disposed around the floating diffusion;
The source follower element is disposed adjacent to the first side of the floating diffusion in the first direction perpendicular to the first side of the floating diffusion, and the reset element is disposed adjacent to the second side of the floating diffusion in the first direction;
the floating diffusion and the source follower element are connected by wiring;
the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element, and the third photoelectric conversion element and the fourth photoelectric conversion element adjacent to each other in the second direction are arranged at the first interval at which at least the source follower element and the reset element can be formed;
the first photoelectric conversion element and the third photoelectric conversion element, and the second photoelectric conversion element and the fourth photoelectric conversion element adjacent to each other in the first direction are disposed at the second interval which is narrower than the first interval;
the first transfer element and the second transfer element are arranged so as to connect between the first side edge portions at both ends of the first side portion of the floating diffusion in the second direction and first edges of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element that face the first side edge portions;
8. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the corresponding third transfer element and the fourth transfer element are arranged to connect between second side edge portions at both ends of the second side of the floating diffusion in the second direction and first edges of the third photoelectric conversion element and the fourth photoelectric conversion element that face the second side edge portions.
前記第1の光電変換素子に接続され、接続された前記第1の光電変換素子から電荷を前記フローティングディフュージョン領域方向または前記フローティングディフュージョン領域外方向にオーバーフローさせることが可能な第1の電荷オーバーフローゲート素子と、
前記第2の光電変換素子に接続され、接続された前記第2の光電変換素子から電荷を前記フローティングディフュージョン領域方向または前記フローティングディフュージョン領域外方向にオーバーフローさせることが可能な第2の電荷オーバーフローゲート素子と、
前記第3の光電変換素子に接続され、接続された前記第3の光電変換素子から電荷を前記フローティングディフュージョン領域方向または前記フローティングディフュージョン領域外方向にオーバーフローさせることが可能な第3の電荷オーバーフローゲート素子と、
前記第4の光電変換素子に接続され、接続された前記第4の光電変換素子から電荷を前記フローティングディフュージョン領域方向または前記フローティングディフュージョン領域外方向にオーバーフローさせることが可能な第4の電荷オーバーフローゲート素子と、を含み、
前記第1の電荷オーバーフローゲート素子は、前記第1の光電変換素子の前記第1の縁部とは離間した外縁側の第2の縁部と接続するように配置され、
前記第2の電荷オーバーフローゲート素子は、前記第2の光電変換素子の前記第1の縁部とは離間した外縁側の第2の縁部と接続するように配置され、
前記第3の電荷オーバーフローゲート素子は、前記第3の光電変換素子の前記第1の縁部とは離間した外縁側の第2の縁部と接続するように配置され、
前記第4の電荷オーバーフローゲート素子は、前記第4の光電変換素子の前記第1の縁部とは離間した外縁側の第2の縁部と接続するように配置されている
請求項8記載の固体撮像装置。 The shared pixel is
a first charge overflow gate element connected to the first photoelectric conversion element and capable of overflowing charge from the connected first photoelectric conversion element toward the floating diffusion region or toward the outside of the floating diffusion region;
a second charge overflow gate element connected to the second photoelectric conversion element and capable of overflowing charge from the connected second photoelectric conversion element toward the floating diffusion region or toward the outside of the floating diffusion region;
a third charge overflow gate element connected to the third photoelectric conversion element and capable of overflowing charge from the connected third photoelectric conversion element toward the floating diffusion region or toward the outside of the floating diffusion region;
a fourth charge overflow gate element connected to the fourth photoelectric conversion element and capable of overflowing charge from the connected fourth photoelectric conversion element toward the floating diffusion region or toward an outside of the floating diffusion region;
the first charge overflow gate element is arranged to be connected to a second edge portion of the first photoelectric conversion element on an outer edge side spaced apart from the first edge portion;
the second charge overflow gate element is arranged to be connected to a second edge portion of the second photoelectric conversion element on an outer edge side spaced apart from the first edge portion,
the third charge overflow gate element is arranged to be connected to a second edge portion of the third photoelectric conversion element on an outer edge side spaced apart from the first edge portion,
The solid-state imaging device according to claim 8 , wherein the fourth charge overflow gate element is arranged so as to be connected to a second edge portion of the fourth photoelectric conversion element on an outer edge side spaced apart from the first edge portion.
前記共有画素の前記第1の光電変換素子、前記第2の光電変換素子、前記第3の光電変換素子、および前記第4の光電変換素子のうち少なくとも2つの光電変換素子の蓄積電荷に対して、
前記リセット期間後のリセット読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第2容量で決まる第2変換利得で変換した第2の読み出しリセット信号を読み出し、当該第2の読み出しリセット信号に対する所定の処理を行う第2変換利得リセット読み出し処理と、
前記利得切換部により利得を切り換えて、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第1容量で決まる第1変換利得で変換した第1の読み出しリセット信号を読み出し、当該第1の読み出しリセット信号に対する所定の処理を行う第1変換利得リセット読み出し処理と、
前記リセット読み出し期間後の第1の前記転送期間に続く第1の読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第1容量で決まる第1変換利得で変換した第1の読み出し信号を読み出し、当該第1の読み出し信号に対する所定の処理を行う第1変換利得読み出し処理と、
前記第1の読み出し期間後に前記利得切換部により利得を切り換えて、前記第1の読み出し期間後の第2の前記転送期間に続く第2の読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第2容量で決まる第2変換利得で変換した第2の読み出し信号を読み出し、当該第2の読み出し信号に対する所定の処理を行う第2変換利得読み出し処理と、を行うことが可能である
請求項9記載の固体撮像装置。 The readout unit is
With respect to the accumulated charges of at least two of the first photoelectric conversion element, the second photoelectric conversion element, the third photoelectric conversion element, and the fourth photoelectric conversion element of the shared pixel,
a second conversion gain reset read process for reading out a second read reset signal converted with a second conversion gain determined by a second capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit during a reset read period after the reset period, and performing a predetermined process on the second read reset signal;
a first conversion gain reset read process for switching a gain by the gain switching unit, reading out a first read reset signal converted with a first conversion gain determined by a first capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit, and performing a predetermined process on the first read reset signal;
a first conversion gain readout process for reading out a first readout signal converted with a first conversion gain determined by a first capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit during a first readout period following the first transfer period after the reset readout period, and performing a predetermined process on the first readout signal;
10. The solid-state imaging device according to claim 9, further comprising: a gain switching unit that switches a gain after the first readout period; and during a second readout period following a second transfer period after the first readout period, a second readout signal converted with a second conversion gain determined by a second capacitance of the floating diffusion as the output node is read out from the source follower element as the output buffer unit, and a second conversion gain readout process is performed on the second readout signal.
前記第2変換利得リセット読み出し処理を、
前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行し、
前記第1変換利得リセット読み出し処理および前記第1変換利得読み出し処理を、
前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を非導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を分離させて実行し、
前記第2変換利得読み出し処理を、
前記転送素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、前記電荷オーバーフローゲート素子を導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行する
請求項10記載の固体撮像装置。 The readout unit is
The second conversion gain reset read process is
The transfer element, the charge overflow gate element, and the reset element are held in a non-conductive state, and the storage element is held in a conductive state, so that the charge of the floating diffusion as the output node and the charge of the storage capacitance element are shared;
The first conversion gain reset read process and the first conversion gain read process,
The transfer element, the charge overflow gate element, and the reset element are maintained in a non-conductive state, and the storage element is maintained in a non-conductive state, thereby separating the charge of the floating diffusion as the output node from the charge of the storage capacitance element;
The second conversion gain readout process is
The solid-state imaging device according to claim 10, wherein the transfer element and the reset element are held in a non-conductive state, the charge overflow gate element is held in a conductive state, and the storage element is held in a conductive state, thereby sharing the charge of the floating diffusion as the output node and the charge of the storage capacitance element.
少なくとも前記第1の光電変換素子、前記第2の光電変換素子、前記第3の光電変換素子、および前記第4の光電変換素子を含み、当該各光電変換素子に蓄積された電荷を出力ノードとしてのフローティングディフュージョンに読み出し、前記フローティングディフュージョンの電荷を出力バッファとしてのソースフォロワ素子において電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する光電変換読み出し部と、
前記光電変換読み出し部により読み出された前記第1の光電変換素子、前記第2の光電変換素子、前記第3の光電変換素子、および前記第4の光電変換素子の蓄積電荷に応じた画素信号を保持することが可能な信号保持部と、を含む
請求項8から11のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The shared pixel is
a photoelectric conversion readout unit including at least the first photoelectric conversion element, the second photoelectric conversion element, the third photoelectric conversion element, and the fourth photoelectric conversion element, reading out charges accumulated in each of the photoelectric conversion elements to a floating diffusion as an output node, converting the charges in the floating diffusion into a voltage signal according to the amount of charge in a source follower element as an output buffer, and outputting the converted voltage signal;
12. The solid-state imaging device according to claim 8, further comprising: a signal holding unit capable of holding pixel signals corresponding to the accumulated charges of the first photoelectric conversion element, the second photoelectric conversion element, the third photoelectric conversion element, and the fourth photoelectric conversion element read out by the photoelectric conversion readout unit.
入力ノードと、
前記第1の光電変換素子の蓄積電荷、前記第2の光電変換素子の蓄積電荷、前記第3の光電変換素子の蓄積電荷、または前記第4の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される読み出しリセット信号および読み出し信号を保持可能な複数の信号保持キャパシタと、
前記第1の光電変換素子の蓄積電荷、前記第2の光電変換素子の蓄積電荷、前記第3の光電変換素子の蓄積電荷、または前記第4の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される読み出し信号を保持可能な複数の信号保持キャパシタと、
前記複数の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する複数のスイッチ素子と、
前記複数の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する複数の出力部と、を含む
請求項12記載の固体撮像装置。 The signal holding unit is
An input node;
a plurality of signal holding capacitors capable of holding a read reset signal and a read signal that are output from a read node of the photoelectric conversion readout unit of the shared pixel and input to the input node when reading out the accumulated charge of the first photoelectric conversion element, the accumulated charge of the second photoelectric conversion element, the accumulated charge of the third photoelectric conversion element, or the accumulated charge of the fourth photoelectric conversion element;
a plurality of signal holding capacitors capable of holding a read signal output from a read node of the photoelectric conversion readout unit of the shared pixel and input to the input node when reading out the accumulated charge of the first photoelectric conversion element, the accumulated charge of the second photoelectric conversion element, the accumulated charge of the third photoelectric conversion element , or the accumulated charge of the fourth photoelectric conversion element;
a plurality of switch elements selectively connecting the plurality of signal holding capacitors to a readout node of the photoelectric conversion readout unit;
The solid-state imaging device according to claim 12 , further comprising: a source follower element that outputs the signals held in the signal holding capacitors in accordance with a holding voltage, and a plurality of output sections that selectively output the converted signals to signal lines.
入力ノードと、
前記第1の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第1の読み出しリセット信号を保持可能な第1の信号保持キャパシタと、
前記第1の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第1の読み出し信号を保持可能な第2の信号保持キャパシタと、
前記第2の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第2の読み出しリセット信号を保持可能な第3の信号保持キャパシタと、
前記第2の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第2の読み出し信号を保持可能な第4の信号保持キャパシタと、
前記第3の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第3の読み出しリセット信号を保持可能な第5の信号保持キャパシタと、
前記3の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第3の読み出し信号を保持可能な第6の信号保持キャパシタと、
前記第4の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第4の読み出しリセット信号を保持可能な第7の信号保持キャパシタと、
前記第4の光電変換素子の蓄積電荷の読み出し時に、前記共有画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第4の読み出し信号を保持可能な第8の信号保持キャパシタと、
前記第1の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第1のスイッチ素子と、
前記第2の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第2のスイッチ素子と、
前記第3の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第3のスイッチ素子と、
前記第4の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第4のスイッチ素子と、
前記第5の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第5のスイッチ素子と、
前記第6の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第6のスイッチ素子と、
前記第7の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第7のスイッチ素子と、
前記第8の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第8のスイッチ素子と、
前記第1の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第1の出力部と、
前記第2の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第2の出力部と、
前記第3の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第3の出力部と、
前記第4の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第4の出力部と、
前記第5の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第5の出力部と、
前記第6の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第6の出力部と、
前記第7の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第7の出力部と、
前記第8の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第8の出力部と、を含む
請求項13記載の固体撮像装置。 The signal holding unit is
An input node;
a first signal holding capacitor capable of holding a first read reset signal that is output from a read node of the photoelectric conversion read unit of the shared pixel and input to the input node when reading out the accumulated charge of the first photoelectric conversion element;
a second signal holding capacitor capable of holding a first read signal that is output from a read node of the photoelectric conversion read unit of the shared pixel and input to the input node when reading out the accumulated charge of the first photoelectric conversion element;
a third signal holding capacitor capable of holding a second read reset signal that is output from a read node of the photoelectric conversion read unit of the shared pixel and input to the input node when the accumulated charge of the second photoelectric conversion element is read out;
a fourth signal holding capacitor capable of holding a second read signal that is output from a read node of the photoelectric conversion read unit of the shared pixel and input to the input node when the accumulated charge of the second photoelectric conversion element is read out;
a fifth signal holding capacitor capable of holding a third read reset signal that is output from a read node of the photoelectric conversion read unit of the shared pixel and input to the input node when the accumulated charge of the third photoelectric conversion element is read out;
a sixth signal holding capacitor capable of holding a third read signal that is output from a read node of the photoelectric conversion read unit of the shared pixel and input to the input node when reading out the accumulated charge of the third photoelectric conversion element;
a seventh signal holding capacitor capable of holding a fourth read reset signal that is output from a read node of the photoelectric conversion read unit of the shared pixel and input to the input node when the accumulated charge of the fourth photoelectric conversion element is read out;
an eighth signal holding capacitor capable of holding a fourth read signal that is output from a read node of the photoelectric conversion read unit of the shared pixel and input to the input node when the accumulated charge of the fourth photoelectric conversion element is read;
a first switch element that selectively connects the first signal holding capacitor to a readout node of the photoelectric conversion readout unit;
a second switch element that selectively connects the second signal holding capacitor to a read node of the photoelectric conversion readout unit;
a third switch element that selectively connects the third signal holding capacitor to a read node of the photoelectric conversion readout unit;
a fourth switch element that selectively connects the fourth signal holding capacitor to a read node of the photoelectric conversion readout unit;
a fifth switch element that selectively connects the fifth signal holding capacitor to a read node of the photoelectric conversion readout unit;
a sixth switch element that selectively connects the sixth signal holding capacitor to a read node of the photoelectric conversion readout unit;
a seventh switch element that selectively connects the seventh signal holding capacitor to a read node of the photoelectric conversion readout unit;
an eighth switch element that selectively connects the eighth signal holding capacitor to a read node of the photoelectric conversion readout unit;
a first output section including a source follower element that outputs the signal held in the first signal holding capacitor in response to a holding voltage, and that selectively outputs the converted signal to a signal line;
a second output section including a source follower element that outputs the signal held in the second signal holding capacitor in response to a holding voltage, and that selectively outputs the converted signal to a signal line;
a third output section including a source follower element that outputs the signal held in the third signal holding capacitor in response to a holding voltage, and that selectively outputs the converted signal to a signal line;
a fourth output section including a source follower element that outputs the signal held in the fourth signal holding capacitor in response to a holding voltage, and that selectively outputs the converted signal to a signal line;
a fifth output section including a source follower element that outputs the signal held in the fifth signal holding capacitor in response to a holding voltage, and that selectively outputs the converted signal to a signal line;
a sixth output section including a source follower element that outputs the signal held in the sixth signal holding capacitor in response to a holding voltage, and that selectively outputs the converted signal to a signal line;
a seventh output section including a source follower element that outputs the signal held in the seventh signal holding capacitor in response to a holding voltage, and that selectively outputs the converted signal to a signal line;
The solid-state imaging device according to claim 13 , further comprising: an eighth output section including a source follower element that outputs the signal held in the eighth signal holding capacitor in accordance with a holding voltage, and selectively outputs the converted signal to a signal line.
前記画素部の前記共有画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、
前記共有画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも3つの光電変換素子と、
前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間にそれぞれ個別に転送可能な複数の転送素子と、
前記転送素子の各々を通じて前記光電変換素子各々の蓄積電荷が転送される出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部としてのソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンに接続された蓄積素子と、
前記蓄積素子を介して前記フローティングディフュージョンの電荷を蓄積する蓄積容量素子と、
前記光電変換素子の各々に接続され、接続された前記光電変換素子から電荷を前記フローティングディフュージョン領域方向または前記フローティングディフュージョン領域外方向にオーバーフローさせることが可能な複数の電荷オーバーフローゲート素子と、を含み、
前記蓄積素子は、前記フローティングディフュージョンと前記リセット素子との間に配置され、
前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの電荷量を第1容量または第2容量に変更して前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子の変換利得を前記第1容量で決まる第1変換利得または前記第2容量で決まる第2変換利得に切り換え可能な利得切換部を含み、
1つの前記フローティングディフュージョンおよび1つの前記ソースフォロワ素子が前記複数の光電変換素子および前記複数の転送素子により共有され、
素子形成領域の中央部分に前記フローティングディフュージョンが配置され、当該フローティングディフュージョンを中心として前記複数の光電変換素子が放射状に配置された
固体撮像装置の製造方法であって
前記フローティングディフュージョンは、互いに対向する第1の側部と第2の側部を含み、前記フローティングディフュージョンの第1の側部に直交する第1の方向に隣接して前記ソースフォロワ素子が配置され、前記フローティングディフュージョンの第2の側部の前記第1の方向に隣接して前記リセット素子を形成し、
前記フローティングディフュージョンと前記ソースフォロワ素子が配線により接続し、
前記第1の方向に対して直交する第2の方向に隣接する前記光電変換素子は、少なくとも前記ソースフォロワ素子および前記リセット素子が形成可能な第1の間隔をおいて形成し、
前記第1の方向に隣接する前記光電変換素子は、前記第1の間隔より狭い第2の間隔をおいて形成され、
前記フローティングディフュージョンの前記第1の側部の第2の方向における第1の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第1の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間、並びに、前記フローティングディフュージョンの前記第2の側部の第2の方向における第2の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第2の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間を接続するように、それぞれ対応する前記転送素子を形成し、
前記電荷オーバーフローゲート素子は、前記光電変換素子の前記第1の縁部とは離間した外縁側の第2の縁部と接続するように形成し、
前記読み出し部は、
前記共有画素の複数の前記光電変換素子のうち少なくとも2つの光電変換素子の蓄積電荷に対して、
前記リセット期間後のリセット読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第2容量で決まる第2変換利得で変換した第2の読み出しリセット信号を読み出し、当該第2の読み出しリセット信号に対する所定の処理を行う第2変換利得リセット読み出し処理と、
前記利得切換部により利得を切り換えて、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第1容量で決まる第1変換利得で変換した第1の読み出しリセット信号を読み出し、当該第1の読み出しリセット信号に対する所定の処理を行う第1変換利得リセット読み出し処理と、
前記リセット読み出し期間後の第1の前記転送期間に続く第1の読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第1容量で決まる第1変換利得で変換した第1の読み出し信号を読み出し、当該第1の読み出し信号に対する所定の処理を行う第1変換利得読み出し処理と、
前記第1の読み出し期間後に前記利得切換部により利得を切り換えて、前記第1の読み出し期間後の第2の前記転送期間に続く第2の読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第2容量で決まる第2変換利得で変換した第2の読み出し信号を読み出し、当該第2の読み出し信号に対する所定の処理を行う第2変換利得読み出し処理と、を行うことが可能であり、
前記読み出し部は、
前記第2変換利得リセット読み出し処理を、
前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行し、
前記第1変換利得リセット読み出し処理および前記第1変換利得読み出し処理を、
前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を非導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を分離させて実行し、
前記第2変換利得読み出し処理を、
前記転送素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、前記電荷オーバーフローゲート素子を導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行するように形成する
固体撮像装置の製造方法。 a pixel section in which shared pixels that perform photoelectric conversion are arranged;
a readout unit that reads out pixel signals from the shared pixels of the pixel unit,
The shared pixel is
At least three photoelectric conversion elements that accumulate charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period;
a plurality of transfer elements capable of individually transferring the charges accumulated in each of the photoelectric conversion elements during a transfer period following the accumulation period;
a floating diffusion serving as an output node to which the accumulated charges of each of the photoelectric conversion elements are transferred through each of the transfer elements;
a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period;
a source follower element serving as an output buffer unit that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to the amount of charge and outputs the converted voltage signal;
a storage element connected to the floating diffusion;
a storage capacitance element that stores the charge of the floating diffusion through the storage element;
a plurality of charge overflow gate elements connected to the respective photoelectric conversion elements and capable of overflowing charge from the connected photoelectric conversion elements toward the floating diffusion region or toward an outside of the floating diffusion region;
the storage element is disposed between the floating diffusion and the reset element;
a gain switching unit capable of switching a conversion gain of the source follower element as the output buffer unit to a first conversion gain determined by the first capacitance or a second conversion gain determined by the second capacitance by changing an amount of charge of a floating diffusion as the output node to a first capacitance or a second capacitance,
one of the floating diffusions and one of the source follower elements are shared by the plurality of photoelectric conversion elements and the plurality of transfer elements;
A method for manufacturing a solid-state imaging device in which the floating diffusion is disposed in a central portion of an element formation region, and the plurality of photoelectric conversion elements are radially disposed around the floating diffusion, the floating diffusion including a first side portion and a second side portion opposed to each other, the source follower element is disposed adjacent to the first side portion of the floating diffusion in a first direction perpendicular to the first side portion of the floating diffusion, and the reset element is formed adjacent to the second side portion of the floating diffusion in the first direction;
The floating diffusion and the source follower element are connected by wiring,
the photoelectric conversion elements adjacent to each other in a second direction perpendicular to the first direction are formed at a first interval that allows at least the source follower element and the reset element to be formed;
the photoelectric conversion elements adjacent to each other in the first direction are formed at a second interval that is narrower than the first interval;
forming the transfer elements corresponding to each other so as to connect between a first side edge portion in a second direction of the first side portion of the floating diffusion and a first edge portion of the photoelectric conversion element that faces the first side edge portion, and between a second side edge portion in a second direction of the second side portion of the floating diffusion and a first edge portion of the photoelectric conversion element that faces the second side edge portion;
the charge overflow gate element is formed so as to be connected to a second edge portion of the photoelectric conversion element on an outer edge side spaced apart from the first edge portion;
The readout unit is
With respect to the accumulated charges of at least two of the plurality of photoelectric conversion elements of the shared pixel,
a second conversion gain reset read process for reading out a second read reset signal converted with a second conversion gain determined by a second capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit during a reset read period after the reset period, and performing a predetermined process on the second read reset signal;
a first conversion gain reset read process for switching a gain by the gain switching unit, reading out a first read reset signal converted with a first conversion gain determined by a first capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit, and performing a predetermined process on the first read reset signal;
a first conversion gain readout process for reading out a first readout signal converted with a first conversion gain determined by a first capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit during a first readout period following the first transfer period after the reset readout period, and performing a predetermined process on the first readout signal;
a second conversion gain readout process in which a gain is switched by the gain switching unit after the first readout period, and a second readout signal converted with a second conversion gain determined by a second capacitance of the floating diffusion as the output node is read out from the source follower element as the output buffer unit during a second readout period following the second transfer period after the first readout period, and a predetermined process is performed on the second readout signal;
The readout unit is
The second conversion gain reset read process is
The transfer element, the charge overflow gate element, and the reset element are held in a non-conductive state, and the storage element is held in a conductive state, so that the charge of the floating diffusion as the output node and the charge of the storage capacitance element are shared;
The first conversion gain reset read process and the first conversion gain read process,
The transfer element, the charge overflow gate element, and the reset element are maintained in a non-conductive state, and the storage element is maintained in a non-conductive state, thereby separating the charge of the floating diffusion as the output node from the charge of the storage capacitance element;
The second conversion gain readout process is
The method for manufacturing a solid-state imaging device includes holding the transfer element and the reset element in a non-conductive state, holding the charge overflow gate element in a conductive state, and holding the storage element in a conductive state, so as to share the charge of the floating diffusion as the output node and the charge of the storage capacitance element.
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換を行う共有画素が配置された画素部と、
前記画素部の前記共有画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、
前記共有画素は、
蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも3つの光電変換素子と、
前記光電変換素子の各々に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間にそれぞれ個別に転送可能な複数の転送素子と、
前記転送素子の各々を通じて前記光電変換素子各々の蓄積電荷が転送される出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、
リセット期間に前記フローティングディフュージョンを所定の電位にリセットするリセット素子と、
前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部としてのソースフォロワ素子と、
前記フローティングディフュージョンに接続された蓄積素子と、
前記蓄積素子を介して前記フローティングディフュージョンの電荷を蓄積する蓄積容量素子と、
前記光電変換素子の各々に接続され、接続された前記光電変換素子から電荷を前記フローティングディフュージョン領域方向または前記フローティングディフュージョン領域外方向にオーバーフローさせることが可能な複数の電荷オーバーフローゲート素子と、を含み、
前記蓄積素子は、前記フローティングディフュージョンと前記リセット素子との間に配置され、
前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンの電荷量を第1容量または第2容量に変更して前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子の変換利得を前記第1容量で決まる第1変換利得または前記第2容量で決まる第2変換利得に切り換え可能な利得切換部を含み、
1つの前記フローティングディフュージョンおよび1つの前記ソースフォロワ素子が前記複数の光電変換素子および前記複数の転送素子により共有され、
素子形成領域の中央部分に前記フローティングディフュージョンが配置され、当該フローティングディフュージョンを中心として前記複数の光電変換素子が放射状に配置され、
前記フローティングディフュージョンは、互いに対向する第1の側部と第2の側部を含み、前記フローティングディフュージョンの第1の側部に直交する第1の方向に隣接して前記ソースフォロワ素子が配置され、前記フローティングディフュージョンの第2の側部の前記第1の方向に隣接して前記リセット素子が配置され、
前記フローティングディフュージョンと前記ソースフォロワ素子が配線により接続され、
前記第1の方向に対して直交する第2の方向に隣接する前記光電変換素子は、少なくとも前記ソースフォロワ素子および前記リセット素子が形成可能な第1の間隔をおいて配置され、
前記第1の方向に隣接する前記光電変換素子は、前記第1の間隔より狭い第2の間隔をおいて配置され、
前記フローティングディフュージョンの前記第1の側部の第2の方向における第1の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第1の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間、並びに、前記フローティングディフュージョンの前記第2の側部の第2の方向における第2の側部側端縁部と前記光電変換素子の当該第2の側部側端縁部と対向する第1の縁部との間を接続するように、それぞれ対応する前記転送素子が配置され、
前記電荷オーバーフローゲート素子は、前記光電変換素子の前記第1の縁部とは離間した外縁側の第2の縁部と接続するように配置され、
前記読み出し部は、
前記共有画素の複数の前記光電変換素子のうち少なくとも2つの光電変換素子の蓄積電荷に対して、
前記リセット期間後のリセット読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第2容量で決まる第2変換利得で変換した第2の読み出しリセット信号を読み出し、当該第2の読み出しリセット信号に対する所定の処理を行う第2変換利得リセット読み出し処理と、
前記利得切換部により利得を切り換えて、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第1容量で決まる第1変換利得で変換した第1の読み出しリセット信号を読み出し、当該第1の読み出しリセット信号に対する所定の処理を行う第1変換利得リセット読み出し処理と、
前記リセット読み出し期間後の第1の前記転送期間に続く第1の読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第1容量で決まる第1変換利得で変換した第1の読み出し信号を読み出し、当該第1の読み出し信号に対する所定の処理を行う第1変換利得読み出し処理と、
前記第1の読み出し期間後に前記利得切換部により利得を切り換えて、前記第1の読み出し期間後の第2の前記転送期間に続く第2の読み出し期間に、前記出力バッファ部としての前記ソースフォロワ素子から前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの第2容量で決まる第2変換利得で変換した第2の読み出し信号を読み出し、当該第2の読み出し信号に対する所定の処理を行う第2変換利得読み出し処理と、を行うことが可能であり、
前記読み出し部は、
前記第2変換利得リセット読み出し処理を、
前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行し、
前記第1変換利得リセット読み出し処理および前記第1変換利得読み出し処理を、
前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を非導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を分離させて実行し、
前記第2変換利得読み出し処理を、
前記転送素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、前記電荷オーバーフローゲート素子を導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードとしての前記フローティングディフュージョンの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行する
電子機器。 A solid-state imaging device;
an optical system that forms a subject image on the solid-state imaging device;
The solid-state imaging device includes:
a pixel section in which shared pixels that perform photoelectric conversion are arranged;
a readout unit that reads out pixel signals from the shared pixels of the pixel unit,
The shared pixel is
At least three photoelectric conversion elements that accumulate charges generated by photoelectric conversion during an accumulation period;
a plurality of transfer elements capable of individually transferring the charges accumulated in each of the photoelectric conversion elements during a transfer period following the accumulation period;
a floating diffusion serving as an output node to which the accumulated charges of each of the photoelectric conversion elements are transferred through each of the transfer elements;
a reset element that resets the floating diffusion to a predetermined potential during a reset period;
a source follower element serving as an output buffer unit that converts the charge of the floating diffusion into a voltage signal corresponding to the amount of charge and outputs the converted voltage signal;
a storage element connected to the floating diffusion;
a storage capacitance element that stores the charge of the floating diffusion through the storage element;
a plurality of charge overflow gate elements connected to the respective photoelectric conversion elements and capable of overflowing charge from the connected photoelectric conversion elements toward the floating diffusion region or toward an outside of the floating diffusion region;
the storage element is disposed between the floating diffusion and the reset element;
a gain switching unit capable of switching a conversion gain of the source follower element as the output buffer unit to a first conversion gain determined by the first capacitance or a second conversion gain determined by the second capacitance by changing an amount of charge of a floating diffusion as the output node to a first capacitance or a second capacitance,
one of the floating diffusions and one of the source follower elements are shared by the plurality of photoelectric conversion elements and the plurality of transfer elements;
the floating diffusion is disposed in a central portion of an element formation region, and the plurality of photoelectric conversion elements are disposed radially around the floating diffusion;
the floating diffusion includes a first side and a second side opposed to each other, the source follower element is disposed adjacent to the first side of the floating diffusion in a first direction perpendicular to the first side, and the reset element is disposed adjacent to the second side of the floating diffusion in the first direction;
the floating diffusion and the source follower element are connected by wiring;
the photoelectric conversion elements adjacent to each other in a second direction perpendicular to the first direction are arranged at a first interval that allows at least the source follower element and the reset element to be formed;
the photoelectric conversion elements adjacent to each other in the first direction are disposed at a second interval that is narrower than the first interval;
the transfer elements are arranged so as to connect between a first side edge portion in a second direction of the first side portion of the floating diffusion and a first edge portion of the photoelectric conversion element that faces the first side edge portion, and between a second side edge portion in a second direction of the second side portion of the floating diffusion and a first edge portion of the photoelectric conversion element that faces the second side edge portion,
the charge overflow gate element is arranged to be connected to a second edge portion of the photoelectric conversion element on an outer edge side spaced apart from the first edge portion,
The readout unit is
With respect to the accumulated charges of at least two of the plurality of photoelectric conversion elements of the shared pixel,
a second conversion gain reset read process for reading out a second read reset signal converted with a second conversion gain determined by a second capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit during a reset read period after the reset period, and performing a predetermined process on the second read reset signal;
a first conversion gain reset read process for switching a gain by the gain switching unit, reading out a first read reset signal converted with a first conversion gain determined by a first capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit, and performing a predetermined process on the first read reset signal;
a first conversion gain readout process for reading out a first readout signal converted with a first conversion gain determined by a first capacitance of the floating diffusion as the output node from the source follower element as the output buffer unit during a first readout period following the first transfer period after the reset readout period, and performing a predetermined process on the first readout signal;
a second conversion gain readout process in which a gain is switched by the gain switching unit after the first readout period, and a second readout signal converted with a second conversion gain determined by a second capacitance of the floating diffusion as the output node is read out from the source follower element as the output buffer unit during a second readout period following the second transfer period after the first readout period, and a predetermined process is performed on the second readout signal;
The readout unit is
The second conversion gain reset read process is
The transfer element, the charge overflow gate element, and the reset element are held in a non-conductive state, and the storage element is held in a conductive state, so that the charge of the floating diffusion as the output node and the charge of the storage capacitance element are shared;
The first conversion gain reset read process and the first conversion gain read process,
The transfer element, the charge overflow gate element, and the reset element are maintained in a non-conductive state, and the storage element is maintained in a non-conductive state, thereby separating the charge of the floating diffusion as the output node from the charge of the storage capacitance element;
The second conversion gain readout process is
The electronic device is executed by holding the transfer element and the reset element in a non-conductive state, holding the charge overflow gate element in a conductive state, and holding the storage element in a conductive state, and sharing the charge of the floating diffusion as the output node and the charge of the storage capacitance element.
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